行波型中空超聲電機關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、行波型中空超聲電機是目前最具有應(yīng)用前景的一類特殊的超聲電機。這種電機除了具備普通超聲電機低速大扭矩、響應(yīng)速度快、電磁兼容性好等特點以外還包括了由中空結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)點，如從空心可以穿過信號線，也可以通過光路等。這些特點使得電機可以被廣泛應(yīng)用于快速執(zhí)行機構(gòu)、電磁兼容要求高的機構(gòu)、光學(xué)和醫(yī)療器械相關(guān)的機構(gòu)。目前這類電機的研制在電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化、驅(qū)動匹配、電機非正常啟停、低速控制、裝配工藝等多個方面還存在問題。本文著重從這幾個方面出發(fā)，分別研究了行波

2、型中空超聲電機定、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)優(yōu)化；電機驅(qū)動器驅(qū)動電壓，驅(qū)動頻率，匹配點等等對機電系統(tǒng)的阻抗特性的影響；電機非正常啟動和停止現(xiàn)象的機理；控制力矩陀螺中行波型中空超聲電機的低速穩(wěn)定控制方法；行波型中空超聲電機特殊的結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致的電機裝配工藝的優(yōu)化。經(jīng)過研究和分析，本文主要獲得了如下成果與收獲：
　　1、總結(jié)了行波型中空超聲電機的特點及應(yīng)用背景，分析了行波型中空超聲電機目前存在的不足和研究現(xiàn)狀，指出了行波型中空超聲電機存在的問題包括：定

3、、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計空間小，優(yōu)化難度大；電機驅(qū)動系統(tǒng)匹配難度大；電機非正常啟動和停止問題突出；電機低速大扭矩下穩(wěn)定控制難度大；電機生產(chǎn)裝配過程中穩(wěn)定控制難度高。
　　2、分析了行波型中空超聲電機的工作機理，提出了一套有限元方法、拉丁超立方抽樣方法、響應(yīng)面模型和遺傳算法糅合而成的優(yōu)化算法。利用優(yōu)化算法對電機的定、轉(zhuǎn)子進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，通過對定子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化解決了定子模態(tài)混疊，振幅較小等問題。通過優(yōu)化使得定子共振頻率與干擾頻率之間的差值從優(yōu)

4、化前的1Khz以內(nèi)增大到2Khz以上；同時通過優(yōu)化也使得定子振幅從優(yōu)化前不足1.5μm變?yōu)閮?yōu)化后大于3.5μm。通過對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化使得轉(zhuǎn)子剛度趨于合理、轉(zhuǎn)子與定子的接觸更均勻，衡量接觸均勻性的主優(yōu)化目標(biāo)從優(yōu)化前的0.27變?yōu)閮?yōu)化后的1.48?10?5。
　　3、通過對行波型中空超聲電機匹配電路的研究和分析，提出了行波型中空超聲電機的優(yōu)化匹配方案。結(jié)合電機本體，對電機和驅(qū)動器組成的機電一體化系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一描述，得到整個機電一體化系

5、統(tǒng)的等效電路。通過傅里葉變換的方法對超聲電機驅(qū)動信號進(jìn)行處理，構(gòu)建了電機及其驅(qū)動系統(tǒng)各級效率的計算方法。接著對本人研制的行波型中空超聲電機在并聯(lián)匹配電路下進(jìn)行了不同驅(qū)動頻率、不同匹配點、不同扭矩負(fù)載下的性能測試實驗。通過實驗數(shù)據(jù)分析得到不同驅(qū)動頻率、不同匹配點、不同扭矩負(fù)載下機電系統(tǒng)的導(dǎo)納特性變化及其對電機性能的影響。最終獲得電機的最佳驅(qū)動頻率是大于電機共振頻率100～200Hz的頻率點。
　　4、研究了目前行波型超聲電機常見的四

6、種非正常啟動和停止現(xiàn)象。重點研究了行波型中空超聲電機工作在一定的扭矩負(fù)載狀況下會出現(xiàn)突然停機，并且將負(fù)載卸除之后電機也無法轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象。通過對超聲電機定子工作時的受迫振動進(jìn)行理論分析，提出超聲電機產(chǎn)生非正常停止的原因為負(fù)載扭矩的增大導(dǎo)致電機共振頻率增加。通過電機在不同負(fù)載扭矩下調(diào)頻調(diào)速測試實驗驗證了負(fù)載扭矩增大會導(dǎo)致電機共振頻率增大。
　　5、以行波型中空超聲電機驅(qū)動的控制力矩陀螺為對象進(jìn)行建模，并采用基于模糊T-S模型的控制算法對

7、電機速度穩(wěn)定性進(jìn)行仿真，得到速度跟蹤誤差<0.2°/s。最后搭建了控制力矩陀螺調(diào)試平臺，在0.005°/s~72°/s的速度范圍內(nèi)對電機進(jìn)行速度穩(wěn)定和定角鎖定精度測試。實驗測試得到電機速度大于0.1°/s時的波動量小于5％；速度小于0.1°/s時的波動量小于0.01°/s；絕對定角鎖定誤差小于2角秒；相對定角鎖定誤差小于1%。實驗結(jié)果表明基于模糊T-S模型的控制算法相比于傳統(tǒng)的PID控制算法，對電機速度穩(wěn)定性的控制精度更高。
　　

8、6、針對壓電陶瓷片的粘接工藝設(shè)計出一種粘接壓電陶瓷片的工裝，以克服壓電陶瓷片粘接過程中膠層太厚和空氣排不干凈的問題。研究了行波型中空超聲電機定子組件與底座的安裝方式，分析不同的安裝方式帶來的不足，最終確定螺紋圈環(huán)壓的安裝方式最適合行波型中空超聲電機的結(jié)構(gòu)。研究了超聲電機不同的預(yù)壓力施加和保持方法，確定了以螺紋施加預(yù)壓力的方式為行波型中空超聲電機施加并保持預(yù)壓力。針對本文涉及到的行波型中空超聲電機設(shè)計了一套施加預(yù)壓力的工裝以保證電機的預(yù)壓