高性能超声电机驱动测试系统

摘要

超声电机（USM）是上世纪80年代发展起来的一种新型微特电机。它利用压电材料的逆压电效应，使压电材料在超声波频率振动，引起弹性体（定子）的共振，通过定转子之间的摩擦得到运动和力矩。超声电机拥有如无电磁干扰、断电自锁、响应快、低速大转矩等不同于传统电磁电机的优点，在航空航天、机器人、汽车、精密仪器仪表等多个领域都有应用。
　　本文介绍了超声电机的特点、发展和驱动要求，介绍了超声电机的驱动控制技术。超声电机的驱动控制技术还不够成熟，现阶段应用较为广泛的PWM逆变式驱动技术存在谐波分量大、驱动效率不高等缺点。本文设计了基于正弦信号功率放大的超声电机驱动方案。该驱动方案中使用单片机和DDS芯片设计了频率、幅度、相位可调的正弦信号发生器，分别设计了基于Class AB和Class D两类功放的功率放大电路以及相应的变压器，并为TRUM-40和TRUM-60型电机设计了匹配电路。与PWM逆变式驱动方案相比，基于Class AB的驱动方案具有信号失真小、调压方便等优点，适用于需要精密控制电机的场合；基于Class D的驱动方案在减少输出信号谐波分量的同时，兼顾了电源效率和电路成本，进一步实现了超声电机驱动器的小型化。
　　由于超声电机快速响应的特点，当电机启动时，易出现加速度过大而对基座产生冲击的情况，当电机需要平稳启动时，这种影响尤其不可忽视。本文使用基于Class AB的驱动方案对超声电机的启动特性进行了测试，使用光电编码器测量转速，通过单片机采集数据上传到上位机，使用MATLAB进行数据处理。实验测试并分析了降频启动和升压启动时TRUM-60电机的速度曲线，分析了降频启动时该电机的加速度曲线，对实现超声电机的平稳启动具有重要意义。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1超声电机概述

1.2超声电机驱动系统研究现状

第二章 正弦信号发生器设计方案

2.1基于DDS技术的波形发生电路

2.2基于ARM的SPI通信

2.3本章小结

第三章 驱动电路设计方案

3.1功率放大电路

3.2变压器设计

3.3匹配电路设计

3.4驱动信号的波形及对比分析

3.5本章小结

第四章 数据采集与结果

4.1光电编码器测速

4.2速度采集

4.3超声电机启动特性测试结果

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2下一步工作

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录