行波型超声波电机驱动和精密伺服特性的研究

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，堵转力矩达到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。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 超声波电机的发展背景

1．1．1 压电材料的主要发展历程

1．1．2 超声波电机的主要发展历程

1．2 超声波电机的分类与应用

1．2．1 超声波电机的分类

1．2．2 超声波电机的应用

1．3 超声波电机的研究现状

1．3．1 驱动技术的发展现状

1．3．2 运动伺服控制的发展现状

1．4 本文的研究内容与意义

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究意义

第2章 环形行波型超声波电机的运动机理分析

2．2．1 PZT的铁电性与压电性

2．2．2 定子的机电类比与阻抗分析

2．2．3 行波型超声波电机的压电陶瓷结构

2．3 定子的结构与表面质点运动

2．3．1 定子的结构与振型

2．3．2 定子表面质点的运动

2．4 转子的受力分析与运动状态

2．4．1 转子与定子的单点接触假设

2．4．2 定转子多点接触分析

2．5 超声波电机的调速机理

2．5．1 驱动频率对电机转速的影响

2．5．2 驱动电压幅值对电机转速的影响

2．5．3 驱动相位差对电机转速的影响

2．6 本章小结

第3章 超声波电机驱动电源设计

3．1 推挽型超声波电机驱动电路设计

3．1．1 驱动电路拓扑与电路工作状态

3．1．2 滤波式驱动电路设计

3．1．3 谐振式驱动电路设计

3．1．4 升压变压器的设计

3．1．5 驱动电路样机制作与电机驱动测试

3．2 直接数字频率合成(DDS)电机驱动系统设计

3．2．1 直接数字频率合成原理

3．2．2 基于DDS的电机驱动系统结构

3．2．3 电机驱动实验波形

3．3 本章小结

第4章 超声波电机鲁棒调速控制系统

4．1 超声波电机鲁棒转速控制的应用背景

4．2 H∞鲁棒控制原理

4．2．1 系统范数、加权函数与性能指标

4．2．2 摄动系统H∞鲁棒控制的标准形式

4．2．3 经典模型摄动跟踪控制向鲁棒控制标准型的转化

4．2．4 鲁棒控制器的求解

4．3 超声波电机的S／T控制

4．3．1 超声波电机的标称转速模型与模型摄动界

4．3．2 性能加权函数的选择

4．3．3 控制器求解与系统仿真

4．3．4 控制器的实现与实验结果

4．4 本章小结

第5章 超声波电机位置-速度伺服控制系统

5．1 电机位置转速伺服控制的背景

5．2 位置-转速伺服控制策略

5．2．1 位置转速串级控制

5．2．2 位置转速分时复用控制

5．3 电机的启停特性与伺服控制规律

5．3．1 启动位置过冲与目标转速门限

5．3．2 分时复用位置转速控制流程

5．4 超声波电机二维伺服平台设计

5．4．1 超声波电机伺服平台的结构

5．4．2 双驱动器之间的频率干扰与抑制

5．4．4 基于UDP通信的上位机控制系统

5．5 位置转速分时复用控制实验结果

5．6 本章小结

第6章 超声波电机微位移驱动与精密伺服控制

6．1 超声波电机微位移驱动与精密定位方法

6．1．1 激励元的构成与微位移驱动原理

6．1．2 精确定位控制系统的设计方法

6．2 超声波电机精密定位装置与实验

6．2．1 超声波电机精密定位系统的构成

6．2．2 电机角位移响应模型

6．2．3 粗调定位对微调定位的影响

6．2．4 分段微调定位控制策略

6．2．5 精确定位控制实验结果

6．3 微步进模式下的超低转速控制方法

6．3．1 转速控制的控制量和转速指标

6．3．2 步进运行转速控制系统的设计

6．4 超低转速控制的实验方法

6．4．1 激励元时间间隔的确定

6．4．2 电机转速观测的平滑滤波

6．4．3 电机的低转速模型

6．4．4 变速积分／PI转速控制器

6．4．5 超声波电机低转速控制实验结果

6．5 本章小结

第7章 并联型超声波电机的设计与驱动

7．1 多定转子力矩叠加原理

7．1．1 胡克定律

7．1．2 库伦摩擦定律

7．2 并联电机的结构

7．3 并联电机的样机与驱动

7．3．1 部件的制备与选择

7．3．2 驱动电路的构成

7．3．3 并联电机的机械特性

7．4 本章小结

8．1 论文的主要工作

8．2 进一步的研究方向

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果