基于行波超声波电动机的长寿型高精度直线定位系统的研究

摘要

行波超声波电动机(USM)是新兴的非电磁式电机，其结构及运行原理同以往的电磁电机有很大的区别。行波超声波电动机是通过压电材料的逆压电效应实现能量变换的，依靠定子和转子之间的摩擦耦合传递驱动力，驱动执行机构运转。该种微特电机具有定位精度高、抗恶劣环境、转矩大、自锁能力强等优势，使得它在工业控制领域、精密定位系统、相机的自动调焦等实际生活中得到较为广泛的应用。但由于该电机是依靠定子与转子之间的摩擦耦合驱动执行机构，摩擦必然带来损耗，导致他的寿命缩短，通常有效工作时间在1000小时左右，因此，在实际应用中会受到一定程度上的限制。
　　为了克服行波超声波电动机使用寿命短的缺陷，本文提出了一种复合式行波超声波电动机的驱动方法。将行波超声波电动机的高定位精度与步进电动机使用寿命长的优点相结合，设计了一种定位精度高、使用寿命长的复合式行波超声波电动机。该复合式行波超声波电动机集成了行波超声波电动机与步进电机的优点，同时克服了两种电机的缺点，在提高直线定位系统精度的同时间接延长了超声波电机的使用寿命。
　　本文通过直线定位系统对复合式行波超声波电动机的长寿型高精度特性进行验证。该直线定位控制系统由直线导轨、光栅尺、数显表、复合式行波超声波电动机、STM32及其外围电路组成。整个直线定位系统在定位过程中的控制策略为：控制前段由步进电机进行驱动，控制末段由行波超声波电动机驱动。通过联合控制策略在延长了行波超声波电动机的使用时间的同时实现了高精度的定位控制。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 超声波电动机简介

1.3 步进电动机简介

1.4 国内外研究现状

1.5 研究意义

1.6 研究内容及章节安排

第2章 行波超声波电动机及控制性能研究

2.1 行波超声波电动机的工作原理

2.2 行波超声波电动机的运行性能

2.3 行波超声波电动机的正反转控制与速度测定

2.4 行波超声波电动机的定位控制原理

2.5 本章小结

第3章 步进电机及控制性能研究

3.1 HB型步进电机的原理

3.2 57BYG两相混合式步进电机及其驱动器介绍

3.3 步进电机的直线定位控制

3.4 步进电机的直线定位精度验证

3.5 本章小结

第4章 复合式行波超声波电动机的设计

4.1 问题描述

4.2 复合式行波超声波电动机的工作原理

4.3 复合式行波超声波电动机的结构设计

4.4 复合式行波超声波电动机的控制器选型

4.5 本章小结

第5章 复合式行波超声波电动机的高精度定位控制及调试

5.1 直线定位控制系统

5.2 复合式行波超声波电动机的软件总体设计

5.3 直线定位系统的高精度验证

5.4 直线定位系统的长寿型验证

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 1： 实系统原理图

附录 2： 实验调试过程中的实物图

附录 3： 作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目