超声波电机系统混沌运行研究

【摘要】：超声波电机（USM）是一种新型的微特电机，它的运行机理与传统的电磁电机截然不同，它利用压电陶瓷的逆压电效应，激发弹性体在超声频段内的微幅振动，借助于定转子之间的摩擦作用，将其转换成转子的宏观直线或旋转运动。由于超声波电机具有强烈的非线性和强耦合性，所以超声波电机在运行过程中可能会出现混沌行为，试验表明在控制器参数发生变化时，超声波电机会表现出类似随机而有界的不规则运动，这种不规则运动会引起转速或转矩的间歇振荡，使电机损耗增加，影响电机的稳定性。对这种不规则运动进行定性分析并加以控制对提高超声波电机控制系统稳定性，降低电机损耗具有重要的实际意义。 本文首先对超声波电机驱动系统中存在的混沌现象进行了初步探求。设计超声波电机转速闭环控制实验，获得驱动电压幅值变化的多组采样时间序列，并采用相空间重构方法对这些时间序列进行了混沌分析，计算得到的最大Lyapunov指数为正数，表明行波超声波电机在一定工作条件下呈现出混沌特性。在此基础上，本文建立了超声波电机动力学模型，设计了超声波电机转速闭环控制器，从而建立了适合于超声波电机混沌分析的仿真模型，通过调节控制参数研究了超声波电机的运动特性，利用仿真数据获得了转速相对于控制参数的Lyapunov指数谱、分岔图及转速相对于电压的轨迹，通过Lyapunov指数谱初步确定了超声波电机运行过程中的混沌区域。最后在超声波电机混沌模型的基础上设计了比例延时反馈控制器，分别采用传统控制方法和模糊控制方法确定延迟时间，利用参数自适应控制方法确定控制刚度。仿真结果表明两种方法均消除了超声波电机的混沌行为。由于模糊控制的自适应性和鲁棒性，其控制效果优于传统的延时反馈法。