行波型超声波电机驱动和精密伺服特性的研究

发布时间：2017-12-20 09:08

  本文关键词：行波型超声波电机驱动和精密伺服特性的研究　出处：《东南大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：本论文的研究对象是行波型超声波电机,主要研究内容包括:超声波电机的驱动机理、驱动电源研究,超声波电机连续运行状态下的转速控制及位置转速伺服控制,超声波电机微步进运行状态下的精密定位控制和超低转速控制,并联大力矩超声波电机及其驱动控制装置研制。论文首先介绍了超声波电机的发展历史、分类、及应用现状,综述超声波电机在驱动、控制方面国内外已经取得的研究成果。结合超声波电机技术的研究趋势,概括了本论文的研究内容和研究意义。对于环形行波型超声波电机的运动和调速机理,按照其关键部件:压电陶瓷、定子谐振弹性体、转子的顺序分三部分展开论述。对于压电陶瓷:阐述了锆钛酸铅的压电效应;把极化后的压电陶瓷作为振源,其环形结构作为振动传播的介质,分析了行波的形成。对于定子谐振弹性体:采用机电等效类比的方法,建立定子的等效电路模型,分析定子端口阻抗特性与定子振动的关系。分析其齿状结构在压电陶瓷振动激励下产生的运动轨迹,推导定子齿端的运行速度。对于转子:根据转子受力平衡,通过对定转子之间预压力的递增假设,分析转子与定子齿之间的接触与摩擦;总结了电机在稳定电激励下转速的稳定状态和电机转速控制方法。对于行波型超声波电机的驱动,论文分别使用方波逆变滤波法、谐振升压法、直接数字频率合成法设计了超声波电机驱动电源。在滤波法中,利用升压变压器的漏感与电机的夹持电容形成低通滤波环节,滤除方波中的高次谐波;利用变压器的副边电感作为并联电感提高回路的功率因数。在谐振升压法中,使用低变比升压变压器,于副边串入谐振电感,与电机的夹持电容形成谐振回路;使电路工作在谐振频率附近,利用谐振回路的频率选择特性提高驱动电压,达到驱动电机的目的。在直接数字频率合成法中,使用DDS芯片连接线性功率放大器的方式得到正弦驱动电压。论文制作了电路样机,并对比了电机驱动效果。论文基于H∞理论采用S/T混合灵敏度方法设计了超声波电机转速鲁棒控制器。设计中使用基于Hammerstein模型的辨识法得到非线性转速模型和参数变化范围,计算对应的转速标称模型及其摄动范数界,导出控制器的稳定性(补灵敏度)约束条件。分析转速跟踪性能指标,并将其转化为系统性能(灵敏度)约束条件;使用混合灵敏度方法把跟踪控制转化为标准的H∞鲁棒控制,并使用MATLAB求解。仿真和实验验证了该控制器良好的控制效果。论文设计了超声波电机二维平台的精确位置-转速伺服控制系统。控制器采用位置闭环和转速闭环分时复用的控制结构,以转速输入信号作为控制器结构切换的参照,位置回路使用分段比例控制实现位置跟踪,转速回路使用H∞控制策略实现转速控制。同时设计了上位机通信系统和下位机的位置信号采集,频率干扰抑制和过流保护方法。测试结果显示平台伺服过程中位置误差小于3μm,并且跟踪具有良好的实时性。论文对超声波电机的精密定位和超低速控制展开研究。利用超声波电机的快速启停特性,基于高精度的位置反馈,设计微步进运行控制器,实现了超声波电机的精密定位控制,取得转角定位精度0.41″的控制效果。在超声波电机步进模型的基础上,设计了双控制量变速积分控制器,参照模型动态修改控制器积分系数,使用滑动平均的方式滤除高频转速波动,实现超声波电机的超低转速闭环控制,取得0.05deg/s目标转速下相对误差小于10%的控制效果。论文设计了大功率超声波电机及其驱动器。以定子阻抗特性为依据,挑选一致性较好的定子,通过并联共轴装配结构提升电机机械特性。结合推挽式方波逆变电路和升压变压器阻抗匹配的设计方法,制作了大功率超声波电机驱动器。电机空载最高转速50r/min,堵转力矩达至6Nm。论文最后,归纳了全文工作,提出超声波电机技术进一步的研究方向。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM359.9

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