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行波型超声波电机设计制作及其控制系统研究

陈建毅  
【摘要】:超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应工作的新概念、新原理电机。与传统电磁型电机截然不同,其驱动力矩并非由电磁感应产生,它利用压电陶瓷的压电效应使定子产生超声波振动,通过定子和转子间的摩擦力来驱动转子。由于超声波电机特殊的工作原理,它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能,如结构紧凑、低速大转矩、响应速度快、不受磁场影响、断电自锁、可直接驱动负载等。正是由于超声波电机具有许多的优点和广阔的应用前景,成为当前世界范围内的一门新兴前沿课题。 本文主要以旋转行波型超声波电机为研究对象,设计制作超声波电机的实验样机以及一套较为完整的超声波电机的驱动和控制系统。研究的主要内容可概括如下: 系统地总结了国内外超声波电机的发展历史和研究现状,说明了研究超声波电机的重要意义,介绍了超声波电机的工作原理、分类、特点及其应用前景。 根据压电效应和压电方程,深入地研究了超声波电机的核心元件——压电陶瓷,对影响压电陶瓷的几个参数进行了论述;对超声波电机的运行机理和整体性能进行了研究。 在对超声波电机相关理论研究的基础上,从超声波电机定子设计着手,详细介绍了超声波电机的设计和制作过程,设计制作行波型超声波电机的实验样机。最后,对所设计的超声波电机样机的性能进行了实验测试和分析,对影响其运行特性的几个主要参数进行讨论。 采用DDS技术解决超声波电机所需要的高频驱动电源和数字控制的问题,设计了相位关系可调的双通道信号发生器,信号的频率及相位差控制精度高。分别采用改变分频比和改变相位累加步进量两种信号产生方案来实现对超声波电机的驱动控制,并进行比较和研究。 为了进一步地对影响超声波电机运行特性的几个因素进行研究,本文基于LabVIEW软件平台,通过软硬件结合的方法,搭建了超声波电机的控制系统。通过计算机对电机运行参数进行实时控制,为今后的超声波电机闭环控制的设计打下了基础。


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