行波型中空超聲電機關鍵技術研究.pdf

1、行波型中空超聲電機是目前最具有應用前景的一類特殊的超聲電機。這種電機除了具備普通超聲電機低速大扭矩、響應速度快、電磁兼容性好等特點以外還包括了由中空結構帶來的優(yōu)點，如從空心可以穿過信號線，也可以通過光路等。這些特點使得電機可以被廣泛應用于快速執(zhí)行機構、電磁兼容要求高的機構、光學和醫(yī)療器械相關的機構。目前這類電機的研制在電機結構優(yōu)化、驅動匹配、電機非正常啟停、低速控制、裝配工藝等多個方面還存在問題。本文著重從這幾個方面出發(fā)，分別研究了行波

2、型中空超聲電機定、轉子的結構優(yōu)化；電機驅動器驅動電壓，驅動頻率，匹配點等等對機電系統(tǒng)的阻抗特性的影響；電機非正常啟動和停止現(xiàn)象的機理；控制力矩陀螺中行波型中空超聲電機的低速穩(wěn)定控制方法；行波型中空超聲電機特殊的結構特點導致的電機裝配工藝的優(yōu)化。經(jīng)過研究和分析，本文主要獲得了如下成果與收獲：
　　1、總結了行波型中空超聲電機的特點及應用背景，分析了行波型中空超聲電機目前存在的不足和研究現(xiàn)狀，指出了行波型中空超聲電機存在的問題包括：定

3、、轉子結構設計空間小，優(yōu)化難度大；電機驅動系統(tǒng)匹配難度大；電機非正常啟動和停止問題突出；電機低速大扭矩下穩(wěn)定控制難度大；電機生產(chǎn)裝配過程中穩(wěn)定控制難度高。
　　2、分析了行波型中空超聲電機的工作機理，提出了一套有限元方法、拉丁超立方抽樣方法、響應面模型和遺傳算法糅合而成的優(yōu)化算法。利用優(yōu)化算法對電機的定、轉子進行了優(yōu)化設計，通過對定子的結構進行優(yōu)化解決了定子模態(tài)混疊，振幅較小等問題。通過優(yōu)化使得定子共振頻率與干擾頻率之間的差值從優(yōu)

4、化前的1Khz以內增大到2Khz以上；同時通過優(yōu)化也使得定子振幅從優(yōu)化前不足1.5μm變?yōu)閮?yōu)化后大于3.5μm。通過對轉子結構進行優(yōu)化使得轉子剛度趨于合理、轉子與定子的接觸更均勻，衡量接觸均勻性的主優(yōu)化目標從優(yōu)化前的0.27變?yōu)閮?yōu)化后的1.48?10?5。
　　3、通過對行波型中空超聲電機匹配電路的研究和分析，提出了行波型中空超聲電機的優(yōu)化匹配方案。結合電機本體，對電機和驅動器組成的機電一體化系統(tǒng)進行統(tǒng)一描述，得到整個機電一體化系

5、統(tǒng)的等效電路。通過傅里葉變換的方法對超聲電機驅動信號進行處理，構建了電機及其驅動系統(tǒng)各級效率的計算方法。接著對本人研制的行波型中空超聲電機在并聯(lián)匹配電路下進行了不同驅動頻率、不同匹配點、不同扭矩負載下的性能測試實驗。通過實驗數(shù)據(jù)分析得到不同驅動頻率、不同匹配點、不同扭矩負載下機電系統(tǒng)的導納特性變化及其對電機性能的影響。最終獲得電機的最佳驅動頻率是大于電機共振頻率100～200Hz的頻率點。
　　4、研究了目前行波型超聲電機常見的四

6、種非正常啟動和停止現(xiàn)象。重點研究了行波型中空超聲電機工作在一定的扭矩負載狀況下會出現(xiàn)突然停機，并且將負載卸除之后電機也無法轉動的現(xiàn)象。通過對超聲電機定子工作時的受迫振動進行理論分析，提出超聲電機產(chǎn)生非正常停止的原因為負載扭矩的增大導致電機共振頻率增加。通過電機在不同負載扭矩下調頻調速測試實驗驗證了負載扭矩增大會導致電機共振頻率增大。
　　5、以行波型中空超聲電機驅動的控制力矩陀螺為對象進行建模，并采用基于模糊T-S模型的控制算法對

7、電機速度穩(wěn)定性進行仿真，得到速度跟蹤誤差<0.2°/s。最后搭建了控制力矩陀螺調試平臺，在0.005°/s~72°/s的速度范圍內對電機進行速度穩(wěn)定和定角鎖定精度測試。實驗測試得到電機速度大于0.1°/s時的波動量小于5％；速度小于0.1°/s時的波動量小于0.01°/s；絕對定角鎖定誤差小于2角秒；相對定角鎖定誤差小于1%。實驗結果表明基于模糊T-S模型的控制算法相比于傳統(tǒng)的PID控制算法，對電機速度穩(wěn)定性的控制精度更高。
　　

8、6、針對壓電陶瓷片的粘接工藝設計出一種粘接壓電陶瓷片的工裝，以克服壓電陶瓷片粘接過程中膠層太厚和空氣排不干凈的問題。研究了行波型中空超聲電機定子組件與底座的安裝方式，分析不同的安裝方式帶來的不足，最終確定螺紋圈環(huán)壓的安裝方式最適合行波型中空超聲電機的結構。研究了超聲電機不同的預壓力施加和保持方法，確定了以螺紋施加預壓力的方式為行波型中空超聲電機施加并保持預壓力。針對本文涉及到的行波型中空超聲電機設計了一套施加預壓力的工裝以保證電機的預壓