超聲波電機

英文：ultrasonic motor

由于激振元件為壓電陶瓷，所以也稱為壓電馬達。80年代中期發(fā)展起來的超聲波電機(Ultrasonic motor，USM)是基于功能陶瓷的超聲波頻率的振動實現(xiàn)驅(qū)動的新型驅(qū)動器。超聲電機是一個典型的機電一體化產(chǎn)品，由電機本體和控制驅(qū)動電路兩部分組成。產(chǎn)品涉及到振動學(xué)、波動學(xué)、材料學(xué)、摩擦學(xué)、電子科學(xué)、計算技術(shù)和實驗技術(shù)等多個領(lǐng)域。超聲波電動機打破了由電磁效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的傳統(tǒng)電機的概念。

與傳統(tǒng)電機相比，它具有以下特點與優(yōu)點：低速大力矩輸出；功率密度高；起?？刂菩院茫豢蓪崿F(xiàn)直接驅(qū)動；可實現(xiàn)精確定位；容易制成直線移動型馬達；噪音?。簾o電磁干擾亦不受電磁干擾；需使用耐磨材料(接觸型USM)和高頻電源等。但它也有自己的缺點，如：功率小；壽命短等。

超聲電機的兩個顯著特點是：1)低速大力矩輸出：2)保持力矩大，宏觀表現(xiàn)為起?？刂菩院?。超聲電機能大力矩輸出是因為激振元件采用大功率密度的壓電陶瓷材料。同尺寸的超聲微電機的力矩比靜電微電機高3-4個量級：比電磁微電機高1．2個量級且輸出轉(zhuǎn)速也比其它類型的微電機低。超聲電機的保持力矩至少是最大輸出力矩的2倍多，具有大的保持力矩是因為電機的定、轉(zhuǎn)子間依靠摩擦力實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的驅(qū)動。由于以上特點，與超聲電機相連接的系統(tǒng)無須齒輪減速機構(gòu)和制動機構(gòu)，簡化了應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。超聲波電機有著誘人的應(yīng)用前景，成為研究的一大熱點。具體地說，有以下幾方面：信息機器、光學(xué)儀器、微機器人、醫(yī)療機器、探測系統(tǒng)、精密加工等。超聲電機的發(fā)展趨勢是：大力矩、小尺寸、高效率、長壽命。

超聲波電機的應(yīng)用領(lǐng)域可概括如下：

1)航空航天領(lǐng)域

航空航天器往往處在高真空、極端溫度、強輻射、無法有效潤滑等惡劣條件中，且對系統(tǒng)重量要求嚴(yán)苛，超聲馬達是其中驅(qū)動器的最佳選擇。

2)精密儀器儀表電磁馬達用齒輪箱減速來增大力矩，由于存在齒輪間隙和回程誤差，難以達到很高定位精度，而超聲馬達可直接實現(xiàn)驅(qū)動，且響應(yīng)快、控制特性好，可用于精密儀器儀表。

3)機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動

用超聲電動機作為機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動器，可將關(guān)節(jié)的固定部分和運動部分分別與超聲馬達的定、轉(zhuǎn)子作為一體，使整個機構(gòu)非常緊湊。日本開發(fā)出球型超聲電動機，為多自由度機器人的驅(qū)動解決了諸多的難題。

4)微型機械技術(shù)中的微驅(qū)動器

微型電機作為微型機械的核心，是微型機械發(fā)展水平的重要標(biāo)志。微電子機械系統(tǒng)(micro electronic mechanical systems，縮寫MEMS)的制造研發(fā)中，其電機多是毫米級的。醫(yī)療領(lǐng)域是微機械技術(shù)運用最具代表性的領(lǐng)域之一，超聲電機在手術(shù)機器人和外科手術(shù)器械上已得到應(yīng)用。

5)電磁干擾很強或不允許產(chǎn)生電磁干擾的場合

在核磁共振環(huán)境下和磁懸浮列車運行的條件下，電磁電機不能正常工作，超聲馬達卻能勝任。

與傳統(tǒng)的電機不同，超聲波電機無繞組和磁極，無需通過電磁作用產(chǎn)生運動力。一般由振動體(相當(dāng)于傳統(tǒng)電機中的定子，由壓電陶瓷和金屬彈性材料制成)和移動體(相當(dāng)于傳統(tǒng)電機中的轉(zhuǎn)子，由彈性體和摩擦材料及塑料等制成)組成。在振動體的壓電陶瓷振子上加高頻交流電壓時，利用逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)使定子在超聲頻段(頻率為20KHZ以上)產(chǎn)生微觀機械振動。并將這種振動通過共振放大和摩擦耦合變換成旋轉(zhuǎn)或直線型運動。

實現(xiàn)超聲波驅(qū)動有兩個前提條件：首先，需在定子表面激勵出穩(wěn)態(tài)的質(zhì)點橢圓運動軌跡；其次，將定子表面質(zhì)點水平方向的微觀運動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運動或平動。第一個前提條件對應(yīng)著機電能量轉(zhuǎn)換，利用逆壓電效應(yīng)由電能轉(zhuǎn)化成機械振動能：第二個前提條件對應(yīng)著運動形式轉(zhuǎn)化，往往通過定轉(zhuǎn)子間的摩擦力來實現(xiàn)，近年來亦有通過氣體或液體為中間介質(zhì)接觸為非接觸型超聲波電機，也稱為聲懸浮超聲波電機。從超聲電機的工作原理可見，其正常工作離不開兩個能量轉(zhuǎn)換作用：機電轉(zhuǎn)換作用和摩擦轉(zhuǎn)換作用。機電轉(zhuǎn)換作用是指壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，即對壓電陶瓷振子加高頻振蕩電流，使它以超聲波的頻率振動。摩擦轉(zhuǎn)換作用是指彈性體(定子與壓電陶瓷的合稱)的振動經(jīng)過定子與轉(zhuǎn)子工作面間的摩擦作用轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子的直線運動或旋轉(zhuǎn)運動。要保證大力矩輸出、止動性好，必須滿足的條件就是有效足夠的機電轉(zhuǎn)換作用和有效穩(wěn)定的摩擦轉(zhuǎn)換作用。

前言

第1章 緒論

1.1 超聲波電機驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展

1.1.1 超聲波電機系統(tǒng)建模的研究

1.1.2 超聲波電機的運動控制策略

1.2 本書的內(nèi)容安排

參考文獻

第2章 超聲波電機驅(qū)動控制電路

2.1 超聲波電機低成本推挽式驅(qū)動電路

2.2 可調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相的超聲波電機控制電路

2.3 具有正反轉(zhuǎn)不對稱補償?shù)某暡姍C閉環(huán)控制電路

2.3.1 基于VCO的超聲波電機控制電路

2.3.2 電機定子振幅閉環(huán)控制與正反轉(zhuǎn)不對稱補償

2.4 基于DSP的驅(qū)動控制電路設(shè)計

2.4.1 基于DSP的驅(qū)動控制電路設(shè)計

2.4.2 基于DSP的對稱PWM信號產(chǎn)生方法

2.5 基于對稱PWM控制信號發(fā)生器的超聲波電機驅(qū)動控制電路

2.5.1 對稱PWM控制信號發(fā)生器工作原理

2.5.2 PWM信號發(fā)生器控制參數(shù)的設(shè)置

2.5.3 基于CPLD的對稱PWM控制信號發(fā)生器

2.5.4 基于CPLD的DSP多SPI端口通信設(shè)計與實現(xiàn)

2.6 基于DDS的超聲波電機驅(qū)動控制電路

2.6.1 系統(tǒng)功能分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.6.2 基于CPLD的DDS信號發(fā)生器設(shè)計與實現(xiàn)

2.6.3 DDS中ROM分時復(fù)用的實現(xiàn)

2.6.4 低通濾波器設(shè)計與實現(xiàn)

2.6.5 用于超聲波電機驅(qū)動的DDS信號發(fā)生器誤差分析

2.6.6 基于DDS的對稱PWM信號產(chǎn)生方法

2.6.7 DSP對DDS信號發(fā)生器的控制

2.7 基于相移PWM的超聲波電機H橋驅(qū)動控制電路

2.7.1 H橋相移PWM控制方法

2.7.2 低成本相移PWM控制信號發(fā)生器

2.7.3 基于CPLD的相移PWM控制信號發(fā)生器

2.7.4 H橋控制電路設(shè)計與實現(xiàn)

2.7.5 H橋相移PWM電路與推挽式電路對比分析

2.8 超聲波電機諧振驅(qū)動電路

2.8.1 行波超聲波電機諧振驅(qū)動電路的仿真研究

2.8.2 行波超聲波電機諧振驅(qū)動電路的實驗分析

2.9 行波超聲波電機驅(qū)動電路非線性研究

2.9.1 驅(qū)動超聲波電機的推挽式變換器工作過程分析

2.9.2 超聲波電機串聯(lián)電感匹配電路研究

參考文獻

第3章 兩相行波超聲波電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的建模

3.1 超聲波電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的建模與仿真

3.1.1 環(huán)形行波超聲波電機的建模與仿真

3.1.2 超聲波電機驅(qū)動控制系統(tǒng)建模與仿真

3.1.3 采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行辨識建模與仿真的展望

3.2 兩相行波超聲波電機轉(zhuǎn)速特性的仿真計算與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模

3.2.1 壓電陶瓷與定子系統(tǒng)的振動模型

3.2.2 定、轉(zhuǎn)子接觸摩擦模型

3.2.3 超聲波電機的轉(zhuǎn)速特性

3.2.4 超聲波電機速度特性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

3.3 兩相行波超聲波電機等效電路模型及其參數(shù)辨識

3.3.1 超聲波電機等效電路模型

3.3.2 超聲波電機等效電路的諧振特性

3.3.3 基于導(dǎo)納圓的等效電路參數(shù)近似計算

3.3.4 基于L-M法的等效電路參數(shù)辨識

3.4 兩相行波超聲波電機頻率一轉(zhuǎn)速控制的階躍響應(yīng)建模

3.4.1 數(shù)據(jù)測試實驗設(shè)計

3.4.2 基于階躍響應(yīng)的超聲波電機模型辨識

3.5 、兩相行波超聲波電機頻率一轉(zhuǎn)速控制的動態(tài)辨識建模

3.5.1 數(shù)據(jù)測試實驗設(shè)計

3.5.2 超聲波電機頻率一轉(zhuǎn)速控制模型辨識

3.5.3 頻率一轉(zhuǎn)速控制模型參數(shù)時變的模型表述

3.6 兩相行波超聲波電機電壓幅值一轉(zhuǎn)速控制的辨識建模

第4章 采用推挽驅(qū)動的超聲波電機運動控制策略研究

第5章 采用H橋驅(qū)動的超聲波電機運動控制策略研究

第6章 超聲波電機混沌運行分析與控制2100433B

超聲波電機是力矩電機，可作用高檔的控制電機，研究超聲波電機的力矩控制可推進超聲波電機的應(yīng)用，發(fā)揮其卓越性能，不僅使超聲波電機用于精密定位、儀器儀表、汽車電器、醫(yī)療設(shè)備等民用工業(yè)，也使超聲波電機用于武器裝備、月球車、空間機器人、衛(wèi)星的太陽帆板、空間天線等各種極限的軍工領(lǐng)域。.本項目將圍繞行波型超聲波電機，研究其力矩控制及在機械臂中的應(yīng)用。一是通過研究行波型超聲波電機的輸入輸出力學(xué)模型，建立行波超聲波電機控制的理論基礎(chǔ)；二是研制測試方法和測試系統(tǒng)，揭示超聲波電機的動態(tài)力矩等特性，并研究位置/力矩和速度/力矩的控制策略，形成超聲波電機力矩控制的基礎(chǔ)；三是研制基于超聲波電機的機械臂，深化超聲波電機位置/力矩和速度/力矩的研究。總之，通過這一項目研究，進一步深化對超聲波電機的科學(xué)認(rèn)識，形成行波型超聲波電機控制理論，以及基于超聲波電機的機械臂技術(shù)，為推進超聲波電機的應(yīng)用打基礎(chǔ)。 2100433B

《超聲波電機低復(fù)雜度控制策略》是作者課題組近年研究工作的總結(jié)，重點闡述超聲波電機的低復(fù)雜度控制策略，包括迭代學(xué)習(xí)控制方法和專家PID控制方法，反映了超聲波電機控制領(lǐng)域的*新進展。內(nèi)容豐富，深入淺出，主要包括基于差分進化算法的超聲波電機Hammerstein非線性建模、P型迭代學(xué)習(xí)控制、簡單非線性迭代學(xué)習(xí)控制、自校正迭代學(xué)習(xí)控制、專家PID控制等。針對超聲波電機產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需求，《超聲波電機低復(fù)雜度控制策略》提出了多種在線計算量小的超聲波電機新型控制策略，并給出了詳細(xì)設(shè)計方法和實現(xiàn)效果。