能量回饋型超聲波電機的構造理論與關鍵技術研究項目摘要

超聲波電機的優(yōu)良特性使其在微型機器人的驅動控制中得到廣泛的應用。由于受其摩擦驅動機理的限制，超聲波電機的能量轉換效率低，這嚴重限制了它在許多有限能量場合中的應用，如密封惡劣環(huán)境中工作的微型機器人。因此，研究振動能量采集與回饋的方法將超聲波電機的振動能量回收轉換成電能，并定期向密封惡劣環(huán)境中工作的微型機器人提供電能。本項目將探索研究能量回饋型超聲波電機的構造理論與關鍵技術，并研制出至少一種能量回饋型超聲波電機樣機。研究內(nèi)容包括：（1）能量回饋型超聲波電機的工作機理與關鍵結構設計；（2）能量回饋型超聲波電機的理論模型、設計方法；（3）超聲波電機能量轉換系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)耦合動力學行為；（4）能量回饋型超聲波電機的驅動與控制特性；（5）能量回饋型超聲波電機的制備科學與綜合試驗。本項目目標是研制集驅動與發(fā)電一體化的高效節(jié)能型超聲波電機，為微型機器人在密封惡劣環(huán)境中的持續(xù)穩(wěn)定工作

能量回饋型超聲波電機是一種集驅動與能量采集功能于一體的新型超聲波電機，可以解決現(xiàn)有驅動器件自供電問題，但有諸多科學問題值得探索。為此開展了以下研究：能量回饋型超聲波電機的工作機理與關鍵結構設計；電機理論模型與設計方法；電機能量采集系統(tǒng)模型與轉換拓撲電路；電機驅動與控制特性；電機制備科學與綜合試驗。 1、 提出了一種改進的壓電陶瓷極化分區(qū)形式，設計了一體式和分體式兩種能量回饋型超聲波電機結構，建立了兩種電機定子結構的有限元模型，優(yōu)化設計并分析了定子參數(shù)和采集區(qū)負載電阻對其頻率特性、振動特性以及電特性的影響。 2、 考慮定子結構剛度不對稱性，提出了電機定子等效雙模機械振動模型；建立了電機定轉子接觸面力傳遞模型及其修正；利用修正后的Hamilton原理及粘彈性接觸理論建立了電機動力學模型；基于正壓電效應和彎曲振動理論，首次建立了電機能量采集數(shù)學模型；分析了驅動電壓、驅動頻率、預壓力、負載力矩以及采集區(qū)負載電阻等對電機振動特性、機械特性和電輸出特性的影響，形成了電機結構與能量優(yōu)化設計理論。 3、 提出了電機能量采集系統(tǒng)的新型機電耦合等效電路模型，首次給出了能量采集系統(tǒng)的能量流圖，分析了不同接口拓撲電路下的系統(tǒng)能量組成，建立了系統(tǒng)電荷-電壓軌跡圖。形成了標準整流濾波(SIC)、同步開關電感(SSHI)和能量自給同步開關電感(SP-SSSHI)能量采集轉換拓撲電路技術；揭示了拓撲電路與采集系統(tǒng)之間多時間尺度非線性耦合動力學行為以及作用機制。 4、 提出了一種基于模糊PID的在線識別電機控制策略，具有誤差小、計算量小和易于實現(xiàn)等特點，速度誤差在3%以內(nèi)。形成了基于555振蕩技術、DSP2407 和DSP2808處理器的三種驅動控制電源技術。研制了兩種能量回饋型超聲波電機樣機合計6套，搭建了電機性能測試平臺，開展了電機綜合性能實驗研究，結果表明電機性能達到了設計指標要求。 5、 開展了壓電能量采集器的關鍵理論與技術研究，形成了振動能量采集器的優(yōu)化設計方法。此外，開展了兩種新型超聲波電機研究。 2100433B

1、 回饋節(jié)能基本原理

將運動中負載上的機械能（位能、動能）通過能量回饋裝置變換成電能（再生電能）并回送給交流電網(wǎng)，供附近其它用電設備使用，使電機拖動系統(tǒng)在單位時間消耗電網(wǎng)電能下降，從而達到節(jié)約電能的目的。

2、回饋節(jié)能解決方案

能量回饋裝置的作用就是能有效的將電動機的再生電能高效回送給交流電網(wǎng)，供周邊其它用電設備使用，節(jié)電效果十分明顯，一般節(jié)電率可達15%～45%。此外，由于無電阻發(fā)熱元件，機房溫度下降，可以節(jié)省機房空調(diào)的耗電量，在許多場合，節(jié)約空調(diào)耗電量往往帶來更優(yōu)的節(jié)電效果。