共轴并联型行波超声波电机驱动控制的研究

摘要

超声波电机是一种直驱微特电机，具有低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快等优点。但由于它是利用定转子之间的局部面接触，通过摩擦实现驱动，使得它的输出转矩较小，这给超声波电机在大力矩、大功率场合的应用带来了限制。本文研究一种新型共轴并联型行波超声波电机，利用多定子并联的方式提高电机的输出转矩。研究的主要内容如下:
　　首先设计了超声波电机的并联结构，制备并装配了一台共轴并联型行波超声波电机的实验样机。在分析单个超声波电机定转子接触面情况的基础上，建立了多定子并联电机的定转子接触面模型，通过仿真实验获得了共轴并联型行波超声波电机的转矩转速特性。
　　选定推挽式逆变电路作为电机的驱动电路，分析了推挽型行波超声波电机驱动电路拓扑结构与工作时序。设计、制作变压器，选定驱动电源、开关器件及其驱动芯片，搭建了共轴并联型行波超声波电机的驱动平台。
　　利用系统辨识法建立了共轴并联型行波超声波电机的二阶传递函数模型，将PID控制理论应用于电机的转速控制中，针对PID控制的不足，提出了一种安排过渡过程的优化方法。仿真和实验表明，在PID控制器中安排过渡过程，可以减少系统超调，改善电机启动特性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 超声波电机概述

1．1．2 超声波电机的发展

1．1．3 超声波电机的分类

1．1．4 超声波电机的特点

1．2 超声波电机驱动控制技术研究现状

1．2．1 超声波电机驱动技术发展

1．2．2 超声波电机转速控制研究的发展

1．3 大力矩超声波电机

1．4 本论文的主要研究内容和意义

1．4．2 研究意义

第2章 共轴并联型行波超声波电机的设计

2．1 环形行波型超声波电机的结构

2．2 共轴并联型行波超声波电机的结构设计

2．2．1 多定转子力矩叠加原理

2．2．2 共轴并联型行波超声波电机的装配

2．2．3 零部件的选择与制备

2．3 本章小结

第3章 共轴并联型行波超声波电机转矩叠加特性的仿真与测试

3．1 环形行波超声波电机的运行机理

3．2 环形行波超声波电机的调速方法

3．2．1 调频调速

3．2．2 调压调速

3．2．3 调相调速

3．3 共轴并联型行波超声波电机转矩转速分析

3．3．1 定转子接触情况分析

3．3．2 定转子接触面仿真

3．3．3 转矩-转速特性分析

3．4 本章小结

第4章 共轴并联型行波超声波电机驱动电路的设计

4．1 行波超声波电机驱动电路特点

4．2 行波型超声波电机开关逆变驱动电路

4．3 推挽型行波超声波电机驱动电路拓扑结构与工作时序

4．4 推挽式高频变压器的设计

4．4．1 变压器的设计原理

4．4．2 变压器的制作

4．5 共轴并联型行波超声波电机驱动平台的搭建

4．6 本章小结

第5章 共轴并联型行波超声波电机的转速控制

5．1 超声波电机测速方法

5．2 共轴并联型行波超声波电机的动态速度特性

5．3 基于PID的转速控制

5．3．1 PID控制原理

5．3．2 PI控制器

5．3．3 仿真结果

5．4 安排过渡过程提高超声波电机控制系统稳定性

5．4．1 PID调节器的不足与安排过渡过程

5．4．2 安排过渡过程对PID控制量的影响

5．4．3 安排过渡过程的效果

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 主要的工作

6．2 进一步的研究方向

致谢

参考文献

硕士学位期间的研究成果