多自由度行波型超聲波電機(jī)的基礎(chǔ)研究.pdf

1、多自由度超聲波電機(jī)是電機(jī)研究領(lǐng)域的前沿課題，也是超聲波電機(jī)研究領(lǐng)域的前沿課題。近年來(lái)，多自由度超聲波電機(jī)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，是實(shí)現(xiàn)多自由度驅(qū)動(dòng)的首選電機(jī)。經(jīng)過(guò)近十年的努力，國(guó)內(nèi)外已對(duì)這類電機(jī)的基本原理、結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)控制等作了一定的探索。由于多自由度超聲波電機(jī)具有低速大力矩、響應(yīng)快、精度高和可直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，是電磁感應(yīng)球電機(jī)無(wú)法比擬的，近來(lái)已成功應(yīng)用于腹腔手術(shù)、機(jī)器人和假肢的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)、二自由度的CCD云臺(tái)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。本文圍繞多自由度行波型超聲

2、波電機(jī)數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)和工藝實(shí)現(xiàn)、驅(qū)動(dòng)控制等基礎(chǔ)問(wèn)題展開(kāi)系統(tǒng)研究。 第一章簡(jiǎn)要地回顧了多自由度超聲波電機(jī)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，探討目前幾種典型電機(jī)的結(jié)構(gòu)、機(jī)理、性能、控制方法、應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)，比較其優(yōu)缺點(diǎn)，最后指出多自由度行波型超聲波電機(jī)具有一定的比較優(yōu)勢(shì)，并提出需要解決的一些問(wèn)題。 第二章針對(duì)球轉(zhuǎn)子三自由度行波型超聲波電機(jī)，建立了它的驅(qū)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。通過(guò)對(duì)球轉(zhuǎn)子進(jìn)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(gè)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(diǎn)的摩擦驅(qū)動(dòng)力和摩擦阻力，根據(jù)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定時(shí)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(jī)的驅(qū)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。最后，通過(guò)仿真分析結(jié)構(gòu)參數(shù)和行波定子轉(zhuǎn)速對(duì)電機(jī)機(jī)械特性的影響，檢證了上述模型的準(zhǔn)確性。 第三章主要介紹基于DSP的超聲波電機(jī)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試及其控制系統(tǒng)。單自由度行

4、波型超聲波電機(jī)的測(cè)控是多自由度行波型超聲波電機(jī)控制的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)用于超聲波電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性測(cè)試。針對(duì)超聲波電機(jī)強(qiáng)非線性時(shí)變等特點(diǎn)，提出了使用神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法實(shí)現(xiàn)行波超聲波電機(jī)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(jī)運(yùn)行情況發(fā)生變化時(shí)可以通過(guò)改變控制參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)速度和位置的快速跟蹤。實(shí)驗(yàn)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(jī)

5、的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。然后根據(jù)第二章三自由度行波型超聲波電機(jī)的建模思想，建立了二自由度行波型超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合研制的樣機(jī)仿真分析了驅(qū)動(dòng)模型的準(zhǔn)確性。隨后提出了對(duì)心對(duì)中壓緊調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)球轉(zhuǎn)子直徑為45mm，定子直徑為30mm，實(shí)現(xiàn)的堵轉(zhuǎn)力矩為120mNm，空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速12r/min，且各方向運(yùn)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(jī)的驅(qū)動(dòng)控制