超声电机启动特性研究

【摘要】： 超声电机(ultrasonic motor,USM)是20世纪80年代开始发展起来的一种全新概念的微特电机。行波型超声电机由于其结构简单、定位精度高、无噪声污染和大转矩密度等特点,非常适用于各种伺服控制场合,特别是照相机、机器人、精确定位装置以及航空航天领域。超声电机在运行过程中有时会出现不能启动的现象,这个问题的发生将严重影响使用超声电机的机械装置的可靠性,不利于工业生产和国防建设,分析导致超声电机不能启动的因素并解决其启动不成功的问题具有重要的意义。 本文从测试定子阻抗、电机定子孤极反馈电压以及接触界面静态力矩出发,研究了超声电机不能启动的原因,得出超声电机在适宜的工作条件下(工作频率大于其谐振频率约0.5kHz左右,预压力不易过大),启动困难的主要原因是接触界面在运行后发生了变化。超声电机在工作过程中,滑动摩擦发热导致接触界面定转子材料性能改变,停机后定子齿面与转子摩擦材料表面相互嵌合,甚至粘结,使定子阻抗增加谐振频率增大,导致使用停机前的频率激振定子,其不能起振或振动微弱,转子不能正常工作。借助于行波超声电机线弹性接触模型,推导出描述超声电机启动性能的数学表达式,为深入认识超声电机启动困难的原因,改善其启动特性提供了理论指导。 针对超声电机启动特性要求,研究了用于超声电机的测速原理和方法,选定用光电编码器T法测速,该编码器具有输出响应快,测试精度高的特点。搭建起超声电机性能试验平台,研制出了一套行波型超声电机启动特性测试系统,设计并编制出上位机和下位机驱动软件。该测试系统由电机、编码器、测试板等几部分组成,可用于多种型号的超声电机启动特性研究。利用信号发生器和示波器对测试系统进行了标定试验,结果表明,本测试系统可以满足测试精度要求,可以用于启动特性研究。 研究了几个因素,包括超声电机工作和接触参数、摩擦材料以及环境状态等对超声电机启动特性的影响。试验分析了测试系统用联轴器的选择问题,为测试系统用联轴器的选择提供了依据;对不同间隔时间下超声电机的启动时间进行了试验,得出,随着间隔时间的增加超声电机的启动时间变长,但稳态转速几乎不变;研究了预压力,施加预压力弹性元件的刚度和激励电压等参数对超声电机启动特性的影响;测试了摩擦材料的厚度、摩擦材料的种类和摩擦材料不同粘贴方式等对超声电机启动特性的影响;搭建了温度、湿度环境测试系统;考查了温度、湿度等环境因素变化下超声电机的启动特性,为超声电机在非常态环境下应用提供了实验依据。