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多自由度行波型超声波电机的基础研究

傅平  
【摘要】: 多自由度超声波电机是电机研究领域的前沿课题,也是超声波电机研究领域的前沿课题。近年来,多自由度超声波电机得到了长足的发展,是实现多自由度驱动的首选电机。经过近十年的努力,国内外已对这类电机的基本原理、结构和驱动控制等作了一定的探索。由于多自由度超声波电机具有低速大力矩、响应快、精度高和可直接驱动等特点,是电磁感应球电机无法比拟的,近来已成功应用于腹腔手术、机器人和假肢的关节驱动、二自由度的CCD云台驱动等领域。本文围绕多自由度行波型超声波电机数学模型、结构和工艺实现、驱动控制等基础问题展开系统研究。 第一章简要地回顾了多自由度超声波电机的发展历史和现状,探讨目前几种典型电机的结构、机理、性能、控制方法、应用前景和发展趋势,比较其优缺点,最后指出多自由度行波型超声波电机具有一定的比较优势,并提出需要解决的一些问题。 第二章针对球转子三自由度行波型超声波电机,建立了它的驱动数学模型。通过对球转子进行静力学分析,给出了定转子接触圆周的接触力关系式,建立了球转子和各个行波定子的力平衡方程,得到球转子球心的微位移和行波定子的轴向压紧量与行波定子预紧力的关系,在此基础上,分析了行波定子与球转子接触点的摩擦驱动力和摩擦阻力,根据运动稳定时球转子的力和力矩平衡,以及行波定子的轴向力平衡关系,给出三自由度行波型超声波电机的驱动数学模型。最后,通过仿真分析结构参数和行波定子转速对电机机械特性的影响,检证了上述模型的准确性。 第三章主要介绍基于DSP的超声波电机动态特性测试及其控制系统。单自由度行波型超声波电机的测控是多自由度行波型超声波电机控制的基础。该系统用于超声波电机的动态响应特性测试。针对超声波电机强非线性时变等特点,提出了使用神经元自适应PID算法实现行波超声波电机的速度和位置控制。由于神经元自适应PID可以在线调整其参数值,因此当电机运行情况发生变化时可以通过改变控制参数来实现速度和位置的快速跟踪。实验表明,使用神经元自适应PID控制策略与传统的PID控制相比有较高的精度。 第四章探讨了二自由度行波型超声波电机的实现问题。然后根据第二章三自由度行波型超声波电机的建模思想,建立了二自由度行波型超声波电机的驱动数学模型,并结合研制的样机仿真分析了驱动模型的准确性。随后提出了对心对中压紧调节机构、外缘大倾角内缘线接触的行波定子和微调定子外缘倾角的调谐方法。研制的样机球转子直径为45mm,定子直径为30mm,实现的堵转力矩为120mNm,空转转速12r/min,且各方向运转平稳,输出性能较一致。 第五章探讨了二自由度行波型超声波电机的驱动控制和运动姿态控制问题。介绍了用于驱动控制的具有变频和相位差控制功能的驱动电源,建立了二自由度行波型超声波电机的运动姿态控制系统,提出了一种新型姿态测量反馈机构,所实现的运动姿态相对误差在3%以内。 本文工作为多自由度行波型超声波电机的优化设计、性能提高和应用奠定了理论基础。


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