多自由度球形行波型超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)、模型及其控制的研究.pdf

1、多自由度球形超聲波電機(jī)有別于電磁型球電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、停電自鎖、抗電磁干擾、低速大力矩和適合直驅(qū)等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)器人、精密儀器以及空間機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景，是近幾年電機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研制了多種形式的多自由度球形超聲波電機(jī)，在應(yīng)用方面也進(jìn)行了不少探索。在眾多球形超聲波球電機(jī)中，行波型球形超聲波電機(jī)的實(shí)用性最好，其研究意義最大，但迄今為止，對(duì)此類電機(jī)的研究大都基于實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)。由于多個(gè)行波定子的驅(qū)動(dòng)（一般為3

2、個(gè)或4個(gè)），定轉(zhuǎn)子間又是空間接觸的，且電機(jī)是基于行波定子高頻機(jī)械振動(dòng)和摩擦驅(qū)動(dòng)的，定轉(zhuǎn)子間的接觸力是動(dòng)態(tài)變化的，這些因素使其驅(qū)動(dòng)模型難于確立，進(jìn)而影響了電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其驅(qū)動(dòng)控制策略等研究。另外，多自由度球轉(zhuǎn)子的姿態(tài)檢測(cè)及其特性測(cè)量也是難點(diǎn)，而我國(guó)在此方面的研究更是稀少，要使之實(shí)用化必須在上述關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題上有所突破。本博士論文在國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目和中國(guó)空間技術(shù)研究院CAST基金資助下，以多自由度球形行波型超聲波電機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)上

3、述問(wèn)題，進(jìn)行了以下主要工作，并取得的研究成果有：
　　 1、研究了二自由度球形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。計(jì)算得到了行波定子和球轉(zhuǎn)子接觸面上任一點(diǎn)的摩擦驅(qū)動(dòng)力（矩）和摩擦阻力（矩），并給出了電機(jī)機(jī)械特性的計(jì)算解析式，分析了各種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)輸出性能的影響，得到了電機(jī)主要的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)分析，證實(shí)所提模型的有效性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，針對(duì)外緣大傾角的行波定子，根據(jù)定子表面質(zhì)點(diǎn)三維運(yùn)動(dòng)理論和定轉(zhuǎn)子接觸機(jī)理，采用有限元分析

4、和實(shí)驗(yàn)確定了最佳斜面傾角角度；給出了兩種對(duì)心結(jié)構(gòu)，用于解決多定子對(duì)單個(gè)球轉(zhuǎn)子的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)中和對(duì)心的問(wèn)題。研制的樣機(jī)定子直徑為Φ30mm，球轉(zhuǎn)子直徑為Φ45mm，實(shí)現(xiàn)最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達(dá)0.10N·m，空載轉(zhuǎn)速為90r/min左右。
　　 2、提出了一種基于3個(gè)行波定子新型結(jié)構(gòu)的二自由度行波型超聲波電動(dòng)機(jī)，根據(jù)定子、轉(zhuǎn)子空間位姿關(guān)系，給出了該種球電機(jī)的機(jī)械特性計(jì)算公式。并以3個(gè)壓電振子表面行波波峰點(diǎn)沿定子周向角速度的極小范數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，

5、分析了此球電機(jī)的性能特點(diǎn)，并證明這種優(yōu)化目標(biāo)手段是一種行之有效的控制策略，發(fā)揮這種具冗余自由度的電機(jī)的特點(diǎn)。研制的螺旋彈簧結(jié)構(gòu)可自適應(yīng)地使各個(gè)行波定子與球轉(zhuǎn)子之間壓緊，可克服由3個(gè)行波定子的加工及其安裝誤差對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的影響，具有較好的容錯(cuò)性，且能保證每個(gè)定轉(zhuǎn)子接觸圓周之間的預(yù)緊力比較均勻一致。研制的樣機(jī)定子直徑為Φ30mm，球轉(zhuǎn)子直徑為φ40mm，最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達(dá)到0.12N·m，空載轉(zhuǎn)速為90r/min左右，電機(jī)的性能得到了進(jìn)一步提高。

6、這種電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、體積和重量小，安裝和調(diào)整十分方便，適合產(chǎn)業(yè)化。
　　 3、建立了基于柔性板簧結(jié)構(gòu)的三自由度球形行波型超聲波電機(jī)的靜力學(xué)模型和驅(qū)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。首先，通過(guò)有限元分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，得到了螺旋板簧的柔度矩陣。給出了定轉(zhuǎn)子接觸圓周的接觸力表達(dá)式，根據(jù)定轉(zhuǎn)子幾何相容關(guān)系，得到了球心微位移和螺旋板簧變形量之間的關(guān)系。并分析了電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)接觸圓周上的力分布影響，重點(diǎn)分析了定轉(zhuǎn)子半徑比和定子中心軸線和水平面間的傾斜角度這兩個(gè)參

7、數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響。在此基礎(chǔ)上，建立了三自由度球形行波型超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，分析了電機(jī)的空載和堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的電機(jī)特性，得到了3個(gè)方向上電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速范圍和堵轉(zhuǎn)力矩范圍。通過(guò)所建模型指導(dǎo)了板簧的設(shè)計(jì)，提出了一種具左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)的板簧，改進(jìn)了壓緊效果；提出了電機(jī)的預(yù)緊力加載機(jī)構(gòu)，克服了現(xiàn)有的機(jī)構(gòu)不能同時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)預(yù)緊力的大小，使多個(gè)定子與球轉(zhuǎn)子之間的預(yù)緊力不能均勻一致的問(wèn)題。研制的樣機(jī)最大輸出力矩為0.07N·m，最高轉(zhuǎn)速為32r/min，

8、電機(jī)尺寸大小為7.2cm×6.3cm×6.3cm，在x和y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為205°和120°，在z軸方向可以360°任意回轉(zhuǎn)。
　　 4、提出了一種基于機(jī)械鼠標(biāo)原理的球轉(zhuǎn)子姿態(tài)檢測(cè)機(jī)構(gòu)，并建立了球電機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)。根據(jù)3個(gè)行波定子的二自由度行波型超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模型，提出以3個(gè)壓電振子表面行波波峰點(diǎn)沿定子周向角速度的極小范數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)的前饋模型，得到了電機(jī)運(yùn)行角速度矢量與各個(gè)定子相位差之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)反饋球轉(zhuǎn)子姿態(tài)量，結(jié)合前

9、饋模型逆運(yùn)算和PID算法對(duì)電機(jī)實(shí)行姿態(tài)控制，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的有效性。
　　 5、研制了多自由度超聲波電機(jī)的各類性能測(cè)試裝置。提出了速度、力矩、瞬態(tài)特性、單定子驅(qū)動(dòng)球轉(zhuǎn)子的性能等測(cè)量方法及其相應(yīng)檢測(cè)機(jī)構(gòu)。特別地，提出的一種力矩測(cè)量機(jī)構(gòu)，能方便地測(cè)量單自由度或二自由度超聲波電機(jī)輸出力矩；提出了一種基于鼠標(biāo)原理的速度檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能方便地測(cè)量任意方向的速度。主要的實(shí)驗(yàn)研究包括球電機(jī)瞬態(tài)試驗(yàn)、任意方向速度試驗(yàn)、電機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩試驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)單