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大力矩高精度超声波电机的基础研究

郭海训  
【摘要】: 超声波电机(Ultrasonic Motor)是近二十年来发展起来的一种新原理电机,其原理不同于传统的电磁型电机,它是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动,借助弹性体谐振放大,通过摩擦耦合产生旋转运动或直线运动。其显著特点是低转速、大力矩、可用于直接驱动、结构简单、电磁兼容性好并具有断电自锁等功能,在某些特殊领域内已取得了一席之地。 超声波电机形式多样,其中纵扭复合型超声波电机的输出力矩最高能达到行波型超声波电机的十几倍,且控制性能更好,因此纵扭复合型超声波电机的研究可以使超声波电机的应用得到进一步的拓展。前几年,输出力矩大于1Nm的超声波电机研究主要集中在日本几家研究机构,国内对于大力矩高精度电机的研究几乎是空白。近几年,国内纷纷对具有大力矩输出特性的纵扭复合型超声波开了研究,如浙江大学、南京航天航空大学、清华大学等。本文以具有大力矩输出的纵扭复合型超声波电机作为研究对象,对其摩擦驱动模型、振动模态、摩擦材料的选择、电机结构设计及优化和测控系统等进行了系统全面的研究,并在此基础上研制了两套样机,每套样机的最大力矩在10Nm以上,且定位精度达到0.025度,形成了大力矩高精度纵扭复合型超声波电机的理论和实验基础。 本文开展的研究工作和取得的创造性成果: 1.采用Mason机电等效图法,推导出了电机纵、扭转振动谐振频率方程,建立了纵扭复合型了电机关键尺寸与谐振频率的关系,从而形成了纵扭振子的设计理论基础。 2.利用等效电路法和有限元法,对电机纵扭振子的结构尺寸进行了设计,并获得了较高的设计精度。结合实验研究,全面系统地对影响电机力矩输出的诸多相关因素进行了深入分析,得到了一些有用的结论,如压电振子两端需加一定的预应力,纵振动压电振子位置应位于纵振子的节面附近等。对纵扭复合型超声波电机用摩擦材料进行了深入地研究,得出粘涂型的摩擦材料与纵扭复合型超声波电机匹配较好的结论。最后,提出了中空结构的超声波电机,实现了输出力矩的大幅度提高。 3.提出了纵扭复合型超声波电机定转子的力传递数学模型。应用冲量守恒和能量守恒等力学原理,建立了接触角和机械特性的关系式,揭示了接触角、稳态输出力矩与压紧力、摩擦材料几何和物理参数、纵扭振动振幅之间的内在联系,进一步形成了纵扭复合型超声波电机的理论基础。 4.对纵扭复合型超声波电机的驱动电源和测控系统进行了设计,其中驱动电源两路信号可移相0~180度,且功率比较大,测控系统具有较高的分辨率等。 5.提出了实现电机高精度定位的控制策略——“脉冲定位法”,其思想充分利用了电机瞬态特性快和具有步进驱动的特性。利用自行设计的测控系统对电机的定位 精度和电机动态性能进行了测试,结果表明:1)电机的重复定位精度可达到0.025 度;2)电机的动态响应快,在3*ms左右,且关断时间要快于起动时间。利用 磁滞测功机测量了电机的负载特性,测量结果表明电机的最大力矩可达10Nm以 上,已接近实用。最后介绍了流沙模拟转子运动实验方法,该方法简单有效,能 快速估测谐振频率。


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