行波型超声电机调速特性复合补偿方法研究与实现

发布时间：2020-07-06 13:53

【摘要】：与传统的电磁电机相比,超声电机具有力矩密度大、结构紧凑和电磁兼容性好等诸多优点,因而更适合在对体积/质量敏感的场合或高磁场强度环境中应用,并且已经出现了许多较为成功的应用案例。在超声电机应用过程中,电机性能的提升受到了调速死区和温漂特性的影响,目前仍然没有可同时良好补偿上述两种影响的驱动方案,这导致了现有超声电机调速系统性能,包括稳速运行性能都还有较大提升空间。因此,从运行机理、材料特性和调速驱动角度对超声电机调速特性进行深入研究,改善超声电机驱动方法具有重要的理论意义和工程价值。本文着重分析了超声电机调速特性复合补偿问题,并以应用最为广泛的行波型旋转超声电机作为实验对象,提出并实验验证了超声电机调速特性复合补偿方法,该方法适用于各种类型超声电机的驱动。首先,在给出超声电机旋转坐标系的基础上,基于Hamilton原理,结合对调速特性影响因素产生原因和影响机理的分析,通过引入与预紧力相关的阻碍力矩和温变特性参数,建立了可反映真实调速死区和温漂特性的超声电机数学模型,为后文补偿方法的设计和实现提供了分析基础。其次,针对超声电机调速死区的补偿问题,给出了自调整驻波的概念,并提出了电压正交幅度调制方法。该方法通过调制两相正交输入电压,在定转子接触界面中激励出了自调整驻波,所产生的高频驻波振动可避免因定转子紧密接触而出现的调速死区。该方法激励出的驻波振幅与转速大小成反比,在补偿低速下调速死区的同时,保证了超声电机效率的提升。与现有的调相调速方法相比,电压正交幅度调制方法以正余弦关系改变两相输入电压幅值获得自调整驻波,系统效率优于两相电压幅值固定、通过相位变化实现自调整驻波的调相调速方法。再次,针对超声电机温漂补偿问题,基于机械品质因数给出了超声电机驱动的最优频率概念,提出了跟踪最优频率的方法。该方法通过在线调节超声电机输入电压频率,使超声电机持续稳定地工作在导纳相位极值所对应的工作状态,从而可最优补偿因温度升高而对电机特性产生的不利影响。与现有频率跟踪方法相比,基于跟踪最优频率的超声电机温漂补偿方法,可使超声电机发热量最少、温升最小、工作状态最为稳定并且效率最高。然后,针对超声电机调速特性复合补偿问题,在分析基于电压正交幅度调制的死区补偿方法和基于跟踪最优频率的温漂补偿方法相互影响的基础上,提出了基于电压-频率双变量调节的超声电机调速特性复合补偿方法。该方法通过调制两相正交输入电压、搜索并跟踪最优频率,可同时补偿超声电机调速死区和温漂特性,具有结构简单、参数物理意义明确、易于实现等优势,为提升超声电机实际调速性能提供了一种改进的驱动方法。最后,针对超声电机电压-频率双变量驱动方法的实现问题,设计了基于两相三电平功率放大电路的超声电机新型驱动系统,该驱动系统具有成本低、体积小、效率高和可靠性高等优势。利用这一新型驱动系统,对不同应用条件下电压-频率双变量驱动方法的补偿效果进行了实验验证。实验结果表明,通过调制两相正交输入电压,可有效地补偿超声电机调速死区特性,显著地提升超声电机调速比;不同转速、电压幅值和负载力矩条件下,跟踪最优频率时,可以较大程度地提升超声电机效率。与传统频率跟踪方法相比,电压-频率双变量驱动方法不仅显著拓展了超声电机调速范围,同时还提升了超声电机效率。新型驱动系统和电压-频率双变量驱动方法,为超声电机调速特性的提升、超声电机驱动系统性能的改善,提供了改进的驱动系统方案和驱动方法基础。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM359.9
【图文】：

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(c) 杆型多自由度超声电机[22](c) Multi-DOF ultrasonic motor(d) 球形多自由度超声电机(d) Multi-DOF spherical ultrason图 1-1 典型超声电机示意图Fig.1-1 Typical ultrasonic motors机的研究工作主要由与军队相关的政府部门支持[29]，而且，超声电已经成功应用于火星探测器[30-31]、纳米卫星[30]、空间机械臂[32]、空[33-35]、卫星姿控系统[36-37]、太阳能帆板展开装置[38]和机翼颤振模型]，超声电机驱动系统的应用明显减小了这些设备的体积和重量，例美国 NASA 在 Calileo 航天器滤波齿轮（FilterWheel）中使用超声电小了 75%；1996 年，在火星探测微着落器中，由于使用了超声电机[31]，这个系统的重量减轻了 30%[30]；2013 年，在玉兔号月球车中搭天航空大学研发的 TRUM-30A 型超声电机，该电机用于光谱仪的驱动质量是 46 克仅为传统电磁电机质量的 10%。其次，超声电机在手表等设备中也发挥了极为重要的作用。日本精工公司成功地将微型超手表中[40]，日本佳能公司在 1987 年率先将超声电机应用于 EOS 系

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有关此种死区产生机理和补偿方法的研究对于调速特性改善而言更具有基础理论研究和工程应用价值。通过对比图1-2(a)与(b)两种死区特性可知，图1-2(a)中只包含控制变量的偏移，而 1-2(b)中还包含了最小转速的偏移；另一方面，调相调速方式和调幅调速方式之间唯一的差别是在调相调速过程中，当相位差不等于 90°时，定子上将不仅仅只存在起驱动作用的行波振动，还将存在驻波振动，并且当相位差趋近于 0°时，行波振动幅值将逐渐减小直至为零

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第 2 章非理想运行条基座、(b)簧片、(c)外壳、(d)转子、(e)摩和(h)电机输出轴。为高效地激发定子振化方向的压电陶瓷片粘贴在定子金属基反，以若干片（通常为偶数，图 2-2 中为入电压，一般配置两组压电陶瓷片，分别相位差为 90°时，电机定子上将会出现行包含一个输出的电极——孤极，孤极处存片上不施加输入电压，当定子振动时，通电压可作为反馈量，用于反映定子振动情基座簧片外壳

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