【摘要】：與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比,超聲電機(jī)具有力矩密度大、結(jié)構(gòu)緊湊和電磁兼容性好等諸多優(yōu)點,因而更適合在對體積/質(zhì)量敏感的場合或高磁場強(qiáng)度環(huán)境中應(yīng)用,并且已經(jīng)出現(xiàn)了許多較為成功的應(yīng)用案例。在超聲電機(jī)應(yīng)用過程中,電機(jī)性能的提升受到了調(diào)速死區(qū)和溫漂特性的影響,目前仍然沒有可同時良好補(bǔ)償上述兩種影響的驅(qū)動方案,這導(dǎo)致了現(xiàn)有超聲電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)性能,包括穩(wěn)速運行性能都還有較大提升空間。因此,從運行機(jī)理、材料特性和調(diào)速驅(qū)動角度對超聲電機(jī)調(diào)速特性進(jìn)行深入研究,改善超聲電機(jī)驅(qū)動方法具有重要的理論意義和工程價值。本文著重分析了超聲電機(jī)調(diào)速特性復(fù)合補(bǔ)償問題,并以應(yīng)用最為廣泛的行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)作為實驗對象,提出并實驗驗證了超聲電機(jī)調(diào)速特性復(fù)合補(bǔ)償方法,該方法適用于各種類型超聲電機(jī)的驅(qū)動。首先,在給出超聲電機(jī)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上,基于Hamilton原理,結(jié)合對調(diào)速特性影響因素產(chǎn)生原因和影響機(jī)理的分析,通過引入與預(yù)緊力相關(guān)的阻礙力矩和溫變特性參數(shù),建立了可反映真實調(diào)速死區(qū)和溫漂特性的超聲電機(jī)數(shù)學(xué)模型,為后文補(bǔ)償方法的設(shè)計和實現(xiàn)提供了分析基礎(chǔ)。其次,針對超聲電機(jī)調(diào)速死區(qū)的補(bǔ)償問題,給出了自調(diào)整駐波的概念,并提出了電壓正交幅度調(diào)制方法。該方法通過調(diào)制兩相正交輸入電壓,在定轉(zhuǎn)子接觸界面中激勵出了自調(diào)整駐波,所產(chǎn)生的高頻駐波振動可避免因定轉(zhuǎn)子緊密接觸而出現(xiàn)的調(diào)速死區(qū)。該方法激勵出的駐波振幅與轉(zhuǎn)速大小成反比,在補(bǔ)償?shù)退傧抡{(diào)速死區(qū)的同時,保證了超聲電機(jī)效率的提升。與現(xiàn)有的調(diào)相調(diào)速方法相比,電壓正交幅度調(diào)制方法以正余弦關(guān)系改變兩相輸入電壓幅值獲得自調(diào)整駐波,系統(tǒng)效率優(yōu)于兩相電壓幅值固定、通過相位變化實現(xiàn)自調(diào)整駐波的調(diào)相調(diào)速方法。再次,針對超聲電機(jī)溫漂補(bǔ)償問題,基于機(jī)械品質(zhì)因數(shù)給出了超聲電機(jī)驅(qū)動的最優(yōu)頻率概念,提出了跟蹤最優(yōu)頻率的方法。該方法通過在線調(diào)節(jié)超聲電機(jī)輸入電壓頻率,使超聲電機(jī)持續(xù)穩(wěn)定地工作在導(dǎo)納相位極值所對應(yīng)的工作狀態(tài),從而可最優(yōu)補(bǔ)償因溫度升高而對電機(jī)特性產(chǎn)生的不利影響。與現(xiàn)有頻率跟蹤方法相比,基于跟蹤最優(yōu)頻率的超聲電機(jī)溫漂補(bǔ)償方法,可使超聲電機(jī)發(fā)熱量最少、溫升最小、工作狀態(tài)最為穩(wěn)定并且效率最高。然后,針對超聲電機(jī)調(diào)速特性復(fù)合補(bǔ)償問題,在分析基于電壓正交幅度調(diào)制的死區(qū)補(bǔ)償方法和基于跟蹤最優(yōu)頻率的溫漂補(bǔ)償方法相互影響的基礎(chǔ)上,提出了基于電壓-頻率雙變量調(diào)節(jié)的超聲電機(jī)調(diào)速特性復(fù)合補(bǔ)償方法。該方法通過調(diào)制兩相正交輸入電壓、搜索并跟蹤最優(yōu)頻率,可同時補(bǔ)償超聲電機(jī)調(diào)速死區(qū)和溫漂特性,具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)物理意義明確、易于實現(xiàn)等優(yōu)勢,為提升超聲電機(jī)實際調(diào)速性能提供了一種改進(jìn)的驅(qū)動方法。最后,針對超聲電機(jī)電壓-頻率雙變量驅(qū)動方法的實現(xiàn)問題,設(shè)計了基于兩相三電平功率放大電路的超聲電機(jī)新型驅(qū)動系統(tǒng),該驅(qū)動系統(tǒng)具有成本低、體積小、效率高和可靠性高等優(yōu)勢。利用這一新型驅(qū)動系統(tǒng),對不同應(yīng)用條件下電壓-頻率雙變量驅(qū)動方法的補(bǔ)償效果進(jìn)行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明,通過調(diào)制兩相正交輸入電壓,可有效地補(bǔ)償超聲電機(jī)調(diào)速死區(qū)特性,顯著地提升超聲電機(jī)調(diào)速比;不同轉(zhuǎn)速、電壓幅值和負(fù)載力矩條件下,跟蹤最優(yōu)頻率時,可以較大程度地提升超聲電機(jī)效率。與傳統(tǒng)頻率跟蹤方法相比,電壓-頻率雙變量驅(qū)動方法不僅顯著拓展了超聲電機(jī)調(diào)速范圍,同時還提升了超聲電機(jī)效率。新型驅(qū)動系統(tǒng)和電壓-頻率雙變量驅(qū)動方法,為超聲電機(jī)調(diào)速特性的提升、超聲電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)性能的改善,提供了改進(jìn)的驅(qū)動系統(tǒng)方案和驅(qū)動方法基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TM359.9
【圖文】：

(c) 桿型多自由度超聲電機(jī)[22](c) Multi-DOF ultrasonic motor(d) 球形多自由度超聲電機(jī)(d) Multi-DOF spherical ultrason圖 1-1 典型超聲電機(jī)示意圖Fig.1-1 Typical ultrasonic motors機(jī)的研究工作主要由與軍隊相關(guān)的政府部門支持[29]，而且，超聲電已經(jīng)成功應(yīng)用于火星探測器[30-31]、納米衛(wèi)星[30]、空間機(jī)械臂[32]、空[33-35]、衛(wèi)星姿控系統(tǒng)[36-37]、太陽能帆板展開裝置[38]和機(jī)翼顫振模型]，超聲電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用明顯減小了這些設(shè)備的體積和重量，例美國 NASA 在 Calileo 航天器濾波齒輪（FilterWheel）中使用超聲電小了 75%；1996 年，在火星探測微著落器中，由于使用了超聲電機(jī)[31]，這個系統(tǒng)的重量減輕了 30%[30]；2013 年，在玉兔號月球車中搭天航空大學(xué)研發(fā)的 TRUM-30A 型超聲電機(jī)，該電機(jī)用于光譜儀的驅(qū)動質(zhì)量是 46 克僅為傳統(tǒng)電磁電機(jī)質(zhì)量的 10%。其次，超聲電機(jī)在手表等設(shè)備中也發(fā)揮了極為重要的作用。日本精工公司成功地將微型超手表中[40]，日本佳能公司在 1987 年率先將超聲電機(jī)應(yīng)用于 EOS 系

有關(guān)此種死區(qū)產(chǎn)生機(jī)理和補(bǔ)償方法的研究對于調(diào)速特性改善而言更具有基礎(chǔ)理論研究和工程應(yīng)用價值。通過對比圖1-2(a)與(b)兩種死區(qū)特性可知，圖1-2(a)中只包含控制變量的偏移，而 1-2(b)中還包含了最小轉(zhuǎn)速的偏移；另一方面，調(diào)相調(diào)速方式和調(diào)幅調(diào)速方式之間唯一的差別是在調(diào)相調(diào)速過程中，當(dāng)相位差不等于 90°時，定子上將不僅僅只存在起驅(qū)動作用的行波振動，還將存在駐波振動，并且當(dāng)相位差趨近于 0°時，行波振動幅值將逐漸減小直至為零

第 2 章 非理想運行條基座、(b)簧片、(c)外殼、(d)轉(zhuǎn)子、(e)摩和(h)電機(jī)輸出軸。為高效地激發(fā)定子振化方向的壓電陶瓷片粘貼在定子金屬基反，以若干片（通常為偶數(shù)，圖 2-2 中為入電壓，一般配置兩組壓電陶瓷片，分別相位差為 90°時，電機(jī)定子上將會出現(xiàn)行包含一個輸出的電極——孤極，孤極處存片上不施加輸入電壓，當(dāng)定子振動時，通電壓可作為反饋量，用于反映定子振動情基座 簧片 外殼

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1 張鐵民;超聲電機(jī)快速響應(yīng)裝置的設(shè)計與分析[J];現(xiàn)代機(jī)械;2000年04期

2 趙淳生;21世紀(jì)超聲電機(jī)技術(shù)展望[J];振動.測試與診斷;2000年01期

3 楊淇,楊明,闕沛文;大力矩超聲電機(jī)[J];應(yīng)用聲學(xué);2001年03期

4 趙淳生;超聲電機(jī)技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和未來[J];電氣時代;2001年03期

5 陳志華,趙淳生;超聲電機(jī)控制中的若干關(guān)鍵問題[J];微特電機(jī);2002年06期

6 趙淳生;面向21世紀(jì)的超聲電機(jī)技術(shù)[J];中國工程科學(xué);2002年02期

7 孫合明,趙淳生,朱曉東,高N

本文編號：2743721