行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)和精密伺服特性的研究.pdf

1、本論文的研究對象是行波型超聲波電機(jī)，主要研究內(nèi)容包括:超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理、驅(qū)動(dòng)電源研究，超聲波電機(jī)連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速控制及位置轉(zhuǎn)速伺服控制，超聲波電機(jī)微步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)下的精密定位控制和超低轉(zhuǎn)速控制，并聯(lián)大力矩超聲波電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制裝置研制。
　　論文首先介紹了超聲波電機(jī)的發(fā)展歷史、分類、及應(yīng)用現(xiàn)狀，綜述超聲波電機(jī)在驅(qū)動(dòng)、控制方面國內(nèi)外已經(jīng)取得的研究成果。結(jié)合超聲波電機(jī)技術(shù)的研究趨勢，概括了本論文的研究內(nèi)容和研究意義。
　　

2、對于環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和調(diào)速機(jī)理，按照其關(guān)鍵部件:壓電陶瓷、定子諧振彈性體、轉(zhuǎn)子的順序分三部分展開論述。對于壓電陶瓷:闡述了鋯鈦酸鉛的壓電效應(yīng);把極化后的壓電陶瓷作為振源，其環(huán)形結(jié)構(gòu)作為振動(dòng)傳播的介質(zhì)，分析了行波的形成。對于定子諧振彈性體:采用機(jī)電等效類比的方法，建立定子的等效電路模型，分析定子端口阻抗特性與定子振動(dòng)的關(guān)系。分析其齒狀結(jié)構(gòu)在壓電陶瓷振動(dòng)激勵(lì)下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡，推導(dǎo)定子齒端的運(yùn)行速度。對于轉(zhuǎn)子:根據(jù)轉(zhuǎn)子受力平衡，通過

3、對定轉(zhuǎn)子之間預(yù)壓力的遞增假設(shè)，分析轉(zhuǎn)子與定子齒之間的接觸與摩擦;總結(jié)了電機(jī)在穩(wěn)定電激勵(lì)下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定狀態(tài)和電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法。
　　對于行波型超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，論文分別使用方波逆變?yōu)V波法、諧振升壓法、直接數(shù)字頻率合成法設(shè)計(jì)了超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。在濾波法中，利用升壓變壓器的漏感與電機(jī)的夾持電容形成低通濾波環(huán)節(jié)，濾除方波中的高次諧波;利用變壓器的副邊電感作為并聯(lián)電感提高回路的功率因數(shù)。在諧振升壓法中，使用低變比升壓變壓器，于副邊串入諧振電

4、感，與電機(jī)的夾持電容形成諧振回路;使電路工作在諧振頻率附近，利用諧振回路的頻率選擇特性提高驅(qū)動(dòng)電壓，達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目的。在直接數(shù)字頻率合成法中，使用DDS芯片連接線性功率放大器的方式得到正弦驅(qū)動(dòng)電壓。論文制作了電路樣機(jī)，并對比了電機(jī)驅(qū)動(dòng)效果。
　　論文基于H∞理論采用S/T混合靈敏度方法設(shè)計(jì)了超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速魯棒控制器。設(shè)計(jì)中使用基于Hammerstein模型的辨識(shí)法得到非線性轉(zhuǎn)速模型和參數(shù)變化范圍，計(jì)算對應(yīng)的轉(zhuǎn)速標(biāo)稱模型及其攝動(dòng)范

5、數(shù)界，導(dǎo)出控制器的穩(wěn)定性（補(bǔ)靈敏度）約束條件。分析轉(zhuǎn)速跟蹤性能指標(biāo)，并將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)性能（靈敏度）約束條件;使用混合靈敏度方法把跟蹤控制轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的H∞魯棒控制，并使用MATLAB求解。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制器良好的控制效果。
　　論文設(shè)計(jì)了超聲波電機(jī)二維平臺(tái)的精確位置-轉(zhuǎn)速伺服控制系統(tǒng)?？刂破鞑捎梦恢瞄]環(huán)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)分時(shí)復(fù)用的控制結(jié)構(gòu)，以轉(zhuǎn)速輸入信號作為控制器結(jié)構(gòu)切換的參照，位置回路使用分段比例控制實(shí)現(xiàn)位置跟蹤，轉(zhuǎn)速回路使用H∞控

6、制策略實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。同時(shí)設(shè)計(jì)了上位機(jī)通信系統(tǒng)和下位機(jī)的位置信號采集，頻率干擾抑制和過流保護(hù)方法。測試結(jié)果顯示平臺(tái)伺服過程中位置誤差小于3μm，并且跟蹤具有良好的實(shí)時(shí)性。
　　論文對超聲波電機(jī)的精密定位和超低速控制展開研究。利用超聲波電機(jī)的快速啟停特性，基于高精度的位置反饋，設(shè)計(jì)微步進(jìn)運(yùn)行控制器，實(shí)現(xiàn)了超聲波電機(jī)的精密定位控制，取得轉(zhuǎn)角定位精度0.41”的控制效果。在超聲波電機(jī)步進(jìn)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了雙控制量變速積分控制器，參照模型

7、動(dòng)態(tài)修改控制器積分系數(shù)，使用滑動(dòng)平均的方式濾除高頻轉(zhuǎn)速波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)的超低轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，取得0.05deg/s目標(biāo)轉(zhuǎn)速下相對誤差小于10％的控制效果。
　　論文設(shè)計(jì)了大功率超聲波電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。以定子阻抗特性為依據(jù)，挑選一致性較好的定子，通過并聯(lián)共軸裝配結(jié)構(gòu)提升電機(jī)機(jī)械特性。結(jié)合推挽式方波逆變電路和升壓變壓器阻抗匹配的設(shè)計(jì)方法，制作了大功率超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)空載最高轉(zhuǎn)速50r/min，堵轉(zhuǎn)力矩達(dá)到6Nm。
　　論文