多自由度行波型超聲波電機的基礎(chǔ)研究.pdf

1、多自由度超聲波電機是電機研究領(lǐng)域的前沿課題，也是超聲波電機研究領(lǐng)域的前沿課題。近年來，多自由度超聲波電機得到了長足的發(fā)展，是實現(xiàn)多自由度驅(qū)動的首選電機。經(jīng)過近十年的努力，國內(nèi)外已對這類電機的基本原理、結(jié)構(gòu)和驅(qū)動控制等作了一定的探索。由于多自由度超聲波電機具有低速大力矩、響應(yīng)快、精度高和可直接驅(qū)動等特點，是電磁感應(yīng)球電機無法比擬的，近來已成功應(yīng)用于腹腔手術(shù)、機器人和假肢的關(guān)節(jié)驅(qū)動、二自由度的CCD云臺驅(qū)動等領(lǐng)域。本文圍繞多自由度行波型超聲

2、波電機數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)和工藝實現(xiàn)、驅(qū)動控制等基礎(chǔ)問題展開系統(tǒng)研究。 第一章簡要地回顧了多自由度超聲波電機的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，探討目前幾種典型電機的結(jié)構(gòu)、機理、性能、控制方法、應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢，比較其優(yōu)缺點，最后指出多自由度行波型超聲波電機具有一定的比較優(yōu)勢，并提出需要解決的一些問題。 第二章針對球轉(zhuǎn)子三自由度行波型超聲波電機，建立了它的驅(qū)動數(shù)學(xué)模型。通過對球轉(zhuǎn)子進行靜力學(xué)分析，給出了定轉(zhuǎn)子接觸圓周的接觸力關(guān)系式，建立了球轉(zhuǎn)

3、子和各個行波定子的力平衡方程，得到球轉(zhuǎn)子球心的微位移和行波定子的軸向壓緊量與行波定子預(yù)緊力的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，分析了行波定子與球轉(zhuǎn)子接觸點的摩擦驅(qū)動力和摩擦阻力，根據(jù)運動穩(wěn)定時球轉(zhuǎn)子的力和力矩平衡，以及行波定子的軸向力平衡關(guān)系，給出三自由度行波型超聲波電機的驅(qū)動數(shù)學(xué)模型。最后，通過仿真分析結(jié)構(gòu)參數(shù)和行波定子轉(zhuǎn)速對電機機械特性的影響，檢證了上述模型的準確性。 第三章主要介紹基于DSP的超聲波電機動態(tài)特性測試及其控制系統(tǒng)。單自由度行

4、波型超聲波電機的測控是多自由度行波型超聲波電機控制的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)用于超聲波電機的動態(tài)響應(yīng)特性測試。針對超聲波電機強非線性時變等特點，提出了使用神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法實現(xiàn)行波超聲波電機的速度和位置控制。由于神經(jīng)元自適應(yīng)PID可以在線調(diào)整其參數(shù)值，因此當(dāng)電機運行情況發(fā)生變化時可以通過改變控制參數(shù)來實現(xiàn)速度和位置的快速跟蹤。實驗表明，使用神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制策略與傳統(tǒng)的PD控制相比有較高的精度。 第四章探討了二自由度行波型超聲波電機

5、的實現(xiàn)問題。然后根據(jù)第二章三自由度行波型超聲波電機的建模思想，建立了二自由度行波型超聲波電機的驅(qū)動數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合研制的樣機仿真分析了驅(qū)動模型的準確性。隨后提出了對心對中壓緊調(diào)節(jié)機構(gòu)、外緣大傾角內(nèi)緣線接觸的行波定子和微調(diào)定子外緣傾角的調(diào)諧方法。研制的樣機球轉(zhuǎn)子直徑為45mm，定子直徑為30mm，實現(xiàn)的堵轉(zhuǎn)力矩為120mNm，空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速12r/min，且各方向運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，輸出性能較一致。 第五章探討了二自由度行波型超聲波電機的驅(qū)動控制