超声电机建模及实验研究

论文摘要

超声电机较传统电磁电机有结构简单、力矩密度大、定位精度高、断电自锁、运行时噪声小及瞬态响应快等诸多优势,但也因其在结构和运行机理上的特殊性,在运行过程中表现出了较强的非线性,使其在精密伺服系统中的应用受到了一定限制。本文以超声电机应用于精密伺服系统为目的,针对超声电机运行机理问题展开了一系列分析,在此基础上,建立了超声电机等效电路模型,对超声电机调速特性和机械特性进行了仿真分析,并搭建实验平台、设计实验,测试了所建立的等效电路模型的正确性,为进一步开展超声电机驱动器和控制器的设计提供了模型基础。首先,为建立超声电机驱动系统的等效电路模型并进行调速特性及机械特性仿真分析,本课题针对行波旋转型超声电机运行过程中两次能量传递问题,分析了压电陶瓷的压电效应在超声电机中的作用和定子表面行波及质点椭圆运动产生机理,并通过对能量传递过程的分析,推导、分析了超声电机三种调速方法,即通过调节两相驱动电压幅值、频率和相位的三种调速方法。其次,在能量传递过程分析的基础上,结合梅森等效电路模型,建立了超声电机自由振子的等效电路模型;并综合考虑预紧力及摩擦力的影响,通过分析超声电机运动机理,在自由振子等效电路模型的基础上,建立了超声电机等效电路模型。完整电机模型以两相驱动电压信号为输入,以等效电机转速的电流信号为输出,包括定子模型、接触区域模型和转子模型三部分,可用于定性分析两相电压驱动下的调速特性和机械特性。最后,在分析电机运行机理及能量传递的基础上,结合超声电机完整等效电路模型,对超声电机三种调速特性及机械特性进行了仿真分析。搭建了超声电机实验平台,设计了调速特性实验和机械特性实验对模型进行了测试,通过对比仿真结果与实验结果,验证了所建模型的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声电机发展及应用
• 1.2.1 超声电机发展
• 1.2.2 超声电机应用现状
• 1.3 超声电机特点及分类
• 1.3.1 超声电机特点
• 1.3.2 超声电机分类
• 1.4 超声电机建模方法
• 1.4.1 解析方法
• 1.4.2 有限元方法
• 1.4.3 等效电路方法
• 1.4.4 三种方法比较
• 1.5 本文研究目的意义及内容
• 1.5.1 本文研究目的意义
• 1.5.2 本文研究内容
• 第2章 行波旋转型超声电机运行机理
• 2.1 引言
• 2.2 超声电机压电陶瓷的压电效应
• 2.3 行波旋转型超声电机定子表面行波及椭圆运动形成机理
• 2.3.1 行波旋转型超声电机定子表面行波形成机理
• 2.3.2 行波旋转型超声电机定子表面椭圆运动形成机理
• 2.4 行波旋转型超声电机三种调速方法
• 2.4.1 调幅控制方法
• 2.4.2 调相控制方法
• 2.4.3 调频控制方法
• 2.4.4 三种调速方法比较
• 2.5 本章小结
• 第3章 超声电机等效电路模型建立及参数确定方法
• 3.1 引言
• 3.2 超声电机定子等效电路模型及参数确定
• 3.2.1 压电振子自由振动的动力学方程
• 3.2.2 压电振子自由振动的电流方程
• 3.2.3 超声电机定子自由振动等效电路模型
• 3.2.4 超声电机定子非自由振动等效电路模型
• 3.2.5 超声电机定子等效电路模型参数确定
• 3.3 超声电机空载等效电路模型及参数确定
• 3.3.1 单相驱动下的摩擦模型
• 3.3.2 两相驱动下的摩擦模型
• 3.3.3 超声电机转子空载等效电路模型
• 3.3.4 超声电机空载等效电路模型
• 3.3.5 超声电机空载等效电路模型参数确定
• 3.4 超声电机负载时等效电路模型及参数确定
• 3.4.1 超声电机转子负载时等效电路模型
• 3.4.2 超声电机负载时等效电路模型
• 3.4.3 等效电路模型中机械量与电学量对应关系
• 3.5 本章小结
• 第4章 超声电机驱动系统等效电路模型仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 超声电机定子振动模态仿真分析
• 4.3 超声电机调速特性仿真分析
• 4.3.1 调幅控制方法
• 4.3.2 调相控制方法
• 4.3.3 调频控制方法
• 4.4 超声电机机械特性仿真分析
• 4.5 超声电机驱动特性仿真分析
• 4.5.1 匹配电感的选取
• 4.5.2 驱动特性仿真分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 超声电机驱动系统等效电路模型实验
• 5.1 引言
• 5.2 超声电机调速特性实验
• 5.2.1 调相控制方法
• 5.2.2 调频控制方法
• 5.3 超声电机机械特性实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢