發(fā)布時間：2017-12-20 09:08

  本文關鍵詞：行波型超聲波電機驅動和精密伺服特性的研究　出處：《東南大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：本論文的研究對象是行波型超聲波電機,主要研究內容包括:超聲波電機的驅動機理、驅動電源研究,超聲波電機連續(xù)運行狀態(tài)下的轉速控制及位置轉速伺服控制,超聲波電機微步進運行狀態(tài)下的精密定位控制和超低轉速控制,并聯大力矩超聲波電機及其驅動控制裝置研制。論文首先介紹了超聲波電機的發(fā)展歷史、分類、及應用現狀,綜述超聲波電機在驅動、控制方面國內外已經取得的研究成果。結合超聲波電機技術的研究趨勢,概括了本論文的研究內容和研究意義。對于環(huán)形行波型超聲波電機的運動和調速機理,按照其關鍵部件:壓電陶瓷、定子諧振彈性體、轉子的順序分三部分展開論述。對于壓電陶瓷:闡述了鋯鈦酸鉛的壓電效應;把極化后的壓電陶瓷作為振源,其環(huán)形結構作為振動傳播的介質,分析了行波的形成。對于定子諧振彈性體:采用機電等效類比的方法,建立定子的等效電路模型,分析定子端口阻抗特性與定子振動的關系。分析其齒狀結構在壓電陶瓷振動激勵下產生的運動軌跡,推導定子齒端的運行速度。對于轉子:根據轉子受力平衡,通過對定轉子之間預壓力的遞增假設,分析轉子與定子齒之間的接觸與摩擦;總結了電機在穩(wěn)定電激勵下轉速的穩(wěn)定狀態(tài)和電機轉速控制方法。對于行波型超聲波電機的驅動,論文分別使用方波逆變?yōu)V波法、諧振升壓法、直接數字頻率合成法設計了超聲波電機驅動電源。在濾波法中,利用升壓變壓器的漏感與電機的夾持電容形成低通濾波環(huán)節(jié),濾除方波中的高次諧波;利用變壓器的副邊電感作為并聯電感提高回路的功率因數。在諧振升壓法中,使用低變比升壓變壓器,于副邊串入諧振電感,與電機的夾持電容形成諧振回路;使電路工作在諧振頻率附近,利用諧振回路的頻率選擇特性提高驅動電壓,達到驅動電機的目的。在直接數字頻率合成法中,使用DDS芯片連接線性功率放大器的方式得到正弦驅動電壓。論文制作了電路樣機,并對比了電機驅動效果。論文基于H∞理論采用S/T混合靈敏度方法設計了超聲波電機轉速魯棒控制器。設計中使用基于Hammerstein模型的辨識法得到非線性轉速模型和參數變化范圍,計算對應的轉速標稱模型及其攝動范數界,導出控制器的穩(wěn)定性(補靈敏度)約束條件。分析轉速跟蹤性能指標,并將其轉化為系統性能(靈敏度)約束條件;使用混合靈敏度方法把跟蹤控制轉化為標準的H∞魯棒控制,并使用MATLAB求解。仿真和實驗驗證了該控制器良好的控制效果。論文設計了超聲波電機二維平臺的精確位置-轉速伺服控制系統�？刂破鞑捎梦恢瞄]環(huán)和轉速閉環(huán)分時復用的控制結構,以轉速輸入信號作為控制器結構切換的參照,位置回路使用分段比例控制實現位置跟蹤,轉速回路使用H∞控制策略實現轉速控制。同時設計了上位機通信系統和下位機的位置信號采集,頻率干擾抑制和過流保護方法。測試結果顯示平臺伺服過程中位置誤差小于3μm,并且跟蹤具有良好的實時性。論文對超聲波電機的精密定位和超低速控制展開研究。利用超聲波電機的快速啟停特性,基于高精度的位置反饋,設計微步進運行控制器,實現了超聲波電機的精密定位控制,取得轉角定位精度0.41″的控制效果。在超聲波電機步進模型的基礎上,設計了雙控制量變速積分控制器,參照模型動態(tài)修改控制器積分系數,使用滑動平均的方式濾除高頻轉速波動,實現超聲波電機的超低轉速閉環(huán)控制,取得0.05deg/s目標轉速下相對誤差小于10%的控制效果。論文設計了大功率超聲波電機及其驅動器。以定子阻抗特性為依據,挑選一致性較好的定子,通過并聯共軸裝配結構提升電機機械特性。結合推挽式方波逆變電路和升壓變壓器阻抗匹配的設計方法,制作了大功率超聲波電機驅動器。電機空載最高轉速50r/min,堵轉力矩達至6Nm。論文最后,歸納了全文工作,提出超聲波電機技術進一步的研究方向。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM359.9

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本文編號：1311526