双定子行波型旋转超声电机驱动控制器研究开发

摘要

超声电机(USM)是一种基于逆压电效应的新型微特电机。与电磁电机相比，它具备结构紧凑、低速大扭矩、响应快、不产生磁场、不受电磁影响、断电自锁等优势。这些优良特性使超声电机在宇航器、机器人、数码家电、军事装备等科技领域，显示出广阔的市场应用前景。所以，超声电机技术已成为海内外一个新的研究热点。其中，双定子行波型旋转超声电机作为一种新型结构不仅具备上述优良特性，还弥补了单定子型结构的缺陷，但由于它复杂的时变、非线性特性，且无法获得精确数学模型，导致其驱动控制技术优劣直接影响到该超声电机良好性能的发挥。因此，本文为实现双定子行波型旋转超声电机的驱动控制，提出了一种基于C8051F120单片机的驱动控制器方案，完成了相关软硬件的研究开发，并实际验证了该驱动控制器的主要功能。
　　本文首先介绍了超声电机的研究发展历史和类型，同时概括说明了行波型旋转超声电机的工作特点和应用领域，并阐述了目前双定子行波型旋转超声电机及其驱动控制技术的研究背景与现状，进一步分析了其驱动控制技术难点，继而引出了课题研究目的与主要研究内容。
　　其次，针对双定子行波型旋转超声电机的内部结构与运行机理进行了详细的论述及分析，从而得到了该超声电机的驱动控制技术要求。随后，在此基础上，提出了一种基于C8051F120型单片机的双定子行波型旋转超声电机驱动控制器开发方案。该驱动控制器采用C8051F120型单片机作为控制核心，输出四路可调频率的同频等幅方波信号，其需要经过滤波电路转换成四路光滑的正弦电压信号，并连接移相电路用于调整两路信号相位，再令上级输出的四路信号通过功率放大模块进行功率放大，最终获得的高频高压正弦信号可以驱动该超声电机正常运行。同时利用孤极电压反馈电路调节驱动信号频率，控制定子振动幅度，从而提高双定子行波型旋转超声电机运行时的稳定性。
　　最后，在完成相关电路模块软硬件研究开发与仿真的基础上，搭建制作了实际驱动控制电路。而后，对其进行了试验测试与分析，验证了此驱动控制器的主要功能。试验结果与分析表明，该驱动控制器能够满足双定子行波型旋转超声电机的运行要求，同时为实现该超声电机在各领域的广泛应用奠定了基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 超声电机的研究发展历史

1．2 超声电机的相关分类介绍

1．3 行波型旋转超声电机特点及其应用概述

1．3．1 行波型旋转超声电机特点

1．3．2 行波型旋转超声电机应用

1．4 双定子行波型旋转超声电机驱动控制技术研究背景

1．5 行波型旋转超声电机驱动控制技术研究现状

1．6 双定子行波型旋转超声电机驱动控制技术难点

1．7 本文研究目的与主要内容

第2章 双定子行波型旋转超声电机结构与原理

2．1 压电效应

2．2 压电陶瓷极化分区

2．3 双定子行波型旋转超声电机结构分析

2．4 双定子行波型旋转超声电机运行机理分析

2．5 双定子行波型旋转超声电机驱动控制技术要求

2．6 本章小结

第3章 双定子行波型旋转超声电机驱动控制器研究

3．1 驱动控制器的设计指标

3．2 驱动控制器总体开发方案

3．3 单片机选型及介绍

3．3．1 单片机选型

3．3．2 C8051F120芯片概述

3．3．3 C8051F120主要配置介绍

3．4 信号发生模块

3．5 显示及按键模块

3．6 滤波电路

3．6．1 滤波电路理论分析

3．6．2 巴特沃斯低通滤波器

3．6．3 滤波电路参数计算

3．6．4 滤波电路仿真分析

3．7 移相电路

3．7．1 移相电路理论分析

3．7．2 RC有源移相电路

3．7．3 RC有源移相电路仿真分析

3．8 功率放大电路

3．8．1 电压放大级电路研究分析

3．8．2 功率放大级电路研究分析

3．8．3 变压器参数计算

3．9 孤极电压反馈电路研究分析

3．9．1 频率跟踪原理

3．9．2 孤极电压反馈电路

3．10 本章小结

第4章 双定子行波型旋转超声电机驱动控制的软件实现

4．1 C8051F120软件开发工具介绍

4．2 C8051F120工作模块软件分析

4．2．1 信号发生

4．2．2 信号采集

4．3 驱动控制软件总体流程

4．4 系统时钟初始化程序

4．5 系统信号发生程序

4．6 系统采集转换程序

4．7 本章小结

第5章 双定子行波型旋转超声电机驱动控制器试验研究

5．1 系统调试

5．2 单片机PCA模块四通道信号输出测试分析

5．3 滤波、移相及电压放大电路输出信号综合试验

5．4 功率放大电路输出试验

5．5 孤极信号电压采集反馈试验

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

在学期间发表的学术论文