纵扭复合型驻波超声波电动机的回顾与展望

介绍了国内、外纵扭驻波超声波电动机的发展状况,列举了各主要研究机构具有代表性的纵扭超声波电动机的尺寸参数和运行特性,分析了不同结构的纵扭超声波电动机的优缺点,还说明了新型斜槽式驻波超声波电动机的优缺点。最后指出纵扭超声波电动机实现大力矩输出的难点和一些解决方法,以及它的研究方向和发展前景。

V形直线超声波电动机运动分析和实验

试制了V型直线超声波电动机样机,分析了该电机实际工作状态下对称和反对称模态的激发过程;对实际工作过程中驱动足的椭圆运动进行了分析,得出电机实际工作时驱动足的椭圆运动轨迹为一斜椭圆。斜椭圆的轨迹不仅与两个兰杰文振子的纵向振幅有关还和安装角θ角有关。通过理论分析可知,安装角θ直接影响到电机的最大速度和电机最大输出推力。该角度在设计和安装时应该充分保证精度。

V型超声波电动机驱动头斜椭圆运动的理论分析

为有效提高V型直线超声波电动机的工作稳定性,对电机实际工作过程中驱动头的椭圆运动进行了分析。通过坐标变换,分析得出该型电机驱动头的椭圆运动轨迹为一斜椭圆。该电机驱动头的斜椭圆轨迹不仅与两个兰杰文振子的纵向振幅有关还和安装角θ有关。采用等速点分析的方法,利用冲量定理对正常安装形式下驱动头的斜椭圆轨迹在一个运动周期内对电机动子的驱动过程进行了完整分析,并得到了该型电机的机械特性方程,仿真了在该安装形式下电机的机械特性。通过和同类电机的试验对比,可以确定所得到的机械特性方程的正确性。

一种超声波电动机的两相驱动电路研究

设计了一种两相驱动的超声波电动机驱动电路。通过主控芯片STM32产生两路PWM波,分别连接两个支路。在每个支路中,利用51芯片的外部中断将一路PWM波转换为两路互补的PWM波,同时输出后续电路所需的高电平。采用全桥式逆变电路,两路PWM波使4个开关管交替导通,将直流电变为交流电。利用变压器再次升压,得到超声波电动机所需要的频率较高(20 k Hz以上)、电压较高的驱动电源。结合超声波电动机负载特性,通过匹配电路实现了面内弯纵复合模态的直线超声微电机的正弦、余弦两相信号驱动。

基于混合递阶遗传算法和RBF神经网络的超声波电动机自适应速度控制

超声波电动机(USM)是近年发展起来的一种新型微特电机,与传统的电磁驱动型电动机的工作原理截然不同。由于USM具有小型轻量、无电磁干扰、响应速度快、低速大转矩、高保持力矩、高功率密度等诸多优点,因而在光学仪器、办公自动化、汽车专用电器、智能机器人、航空航天等领域具有良好的应用前景。但USM的高度非线性、时变性和强耦合增加了它的控制难度。本文提出一种新的USM自适应控制策略,系统采用双闭环控制,内环用来补偿定子环机械谐振频率的漂移;外环利用径向基函数神经网络(RBFNN)控制器调节USM的驱动频率,实现速度的自适应控制。根据RBF神经网络的结构特点,对其参数采用混合递阶遗传算法进行训练。经实验证明,该控制系统具有响应迅速、适应性强等优点,具有较高的控制精度和较好的稳定性。

超声波电动机定子和转子接触状态的数值分析

提出了一个描述行波超声波电动机定子和转子接触的简化模型，用有限元法计算了摩擦材料的弹性模量和动摩擦因数对定子和转子接触状态的影响。建立了在一定接触条件下与定子接触的摩擦材料的变形和其弹性模量的关系。测试了摩擦材料性能对超声电动机堵转力矩的影响。根据数值计算结果和试验确定的摩擦材料性能，得到了更精确的摩擦材料的接触变形范围，为摩擦材料的选择提供了依据。

超声波电动机定子支撑对其性能影响的有限元分析

行波型超声波电动机的定子支撑对其振动模态影响很大,其厚度、位置以及长度的变化直接影响到电动机的振型,从而对超声波电动机的运行特性、输出特性有较大的影响。本文以直径为100mm的行波型超声波电动机定子为例,利用有限元方法分析了超声波电动机在其支撑影响下的振动模态变化,并进一步分析其对电动机性能的影响。

压电陶瓷对超声波电动机定子特性的影响

压电陶瓷(Piezoelectric ceramic,PZT)是组成超声波电动机定子的核心元件,其性能的优劣将直接影响超声波电动机的输出性能。为了研究PZT对超声波电动机定子特性的影响,利用有限元法建立超声波电动机自由定子的机电耦合动力学模型,利用该模型重点研究PZT厚度、极化分区形式、极化不均匀性以及PZT开路和短路条件时对定子动态特性的影响,并提出基于能量的PZT极化分区形式、极化不均匀性对定子动态特性影响程度的评价方法。采用自然对流传热问题的牛顿冷却定律和热容理论,建立超声波电机定子的温度特性理论模型,基于该模型研究PZT材料介电损耗对电动机定子的温度特性影响。研究结果表明:电动机定子模态频率随PZT厚度的增大而增加,而定子表面质点的振动幅值则随PZT厚度的增加而减小;PZT开路时的定子模态频率比短路时的模态频率大;改进PZT极化分区形式和极化不均匀性均可以提高超声波电动机自由定子的动态特性。基于该研究结果制作的直径10.4mm行波型超声波电动机性能稳定,堵转力矩达到9.5mN·m,空载转速1000r/min,研究结果有助于超声波电动机的产业化。

基于能量等效的行波型超声波电动机解析模型

提出一种基于能量等效的行波型超声波电动机稳态特性分析计算的解析模型。首先通过能量等效原则将压电复合定子环简化成复合等直梁模型,综合考虑压电复合定子的转动惯量和剪切变形的影响,利用铁木辛柯梁振动理论得到电动机定子振动的频率方程和强迫振动稳态解;其次,对电动机定、转子接触面的滑动状况进行分析,利用弹性接触理论确定了定、转子接触面的力传递模型和效率表达式,通过把定、转子接触面的摩擦损耗和转子的输出功率视为定子强迫振动的等效阻尼损失,由此建立电动机的机械特性和输出功率表达式;最后,仿真和试验分析了不同电动机结构和材料参数以及定子预压力、驱动频率和摩擦层厚度等对电动机振动特性和机械特性的影响,试验证明了该模型的有效性和适用范围。

纵-弯复合旋转式超声波电动机的优化设计与性能分析

提出一种采用压电叠堆和压电双晶悬臂板构成的新型纵-弯复合旋转式超声波电动机,利用电动机定子的一阶纵振动和二阶弯曲振动模态复合形成接触头的椭圆运动,实现电动机的旋转驱动。分析了电动机的总体结构和运行机理,利用有限元方法建立了电动机定子的机电耦合模型,通过对定子的模态分析和结构优化设计,确定了定子的两个工作模态以及两工作模态频率的调谐。通过对定子振动特性的分析,验证了电动机设计方法和设计思路的正确性。最后,利用冲量定理和能量守恒原理建立了电动机的力传递模型,数值分析了电动机的机械输出特性。研究结果对于改善和优化超声波电动机的输出性能以及电动机的建模具有实践指导作用。

国内外超声波电动机驱动技术的最新进展

叙述了国内外在超声波电动机驱动技术领域所取得的最新研究成果,重点介绍了直接数字频率合成技术(DDS)、双电感双电容谐振技术(LLCC)和压电变压器技术在该领域中的应用,并指出了驱动电源在今后的发展方向和趋势。

一种双足驱动直线超声波电动机的设计

设计了一种单边双足驱动的面内振动直线超声波电动机,其定子采用了一片铜板和八片压电陶瓷构成的复合结构,压电点陶瓷沿着厚度方向极化,对称安装在矩形铜板的两个表面上。建立了该电机的机电耦合动力学模型,通过仿真确定了驱动足的位置,并试验研究了电机的特性。

压电陶瓷剪切模式用于超声波电动机的研究

介绍了已经采用d15逆压电效应的切变型压电陶瓷元件,如激励扭转振动的压电陶瓷环和筒以及激励行波的压电陶瓷盘等,分析了其在行波型、驻波型等超声波电动机中的应用方式和驱动机理。提出了一种新的切变型弯曲振动的压电陶瓷柱元件,并应用于弯曲摇头型超声波电动机中,有助于满足发展大应变、微型化超声波电动机的需求。

行波超声波电动机转子的设计

文章分析了行波超声波电动机定转子接触配合情况 ,提出了转子的设计方法。

超声波电动机发展现状及应用

超声波电动机在精密仪器、航空航天等高端应用领域有其独特的优势。首先对超声波电动机的基本原理和结构进行了描述;然后对超声波电动机的发展现状、发展前景,以及超声波电动机的优缺点作了详细的分析,并指出了超声波电动机在数学模型、电机机构、电机控制等方向需要进一步研究和改善的手段;最后给出了超声波电动机的一些应用领域,以及超声波电动机的未来发展方向。

2自由度球形行波型超声波电动机的特性计算模型

理论和试验研究2自由度行波型超声波电动机的机械特性计算问题。分析2自由度行波型超声波电动机空间结构关系和定转子接触面的摩擦力。利用空间位置关系,计算得到了行波定子和球转子接触面上任一点的摩擦驱动力和摩擦阻力。根据运动稳定时行波定子轴向力平衡关系,推导给出2自由度球形行波型超声波电动机的特性计算解析式。通过研制的样机进行理论和试验分析,证实计算模型有效性和准确性,并分析各种电动机参数对输出机械特性的影响。研制的样机实现最大堵转转矩达0.10N·m,空转转速为90r/min左右。研究工作为下一步球形行波型超声波电动机的设计、优化和控制提供了理论基础。

环形超声波电动机定子振动的固有频率

提出一种用于分析环形超声波电动机定子振动固有频率的简便、有效的方法,避免了有限元法难以用于一般工程设计的困难,为进一步定性分析和定量设计电机打下了基础.计算结果与有限元法及实验所得结果进行了比较,这种方法可以获得比较精确的结果,而计算量却比有限元法大为减少.

超声波电动机P与PI型迭代学习转速控制

相对简单的控制策略,能够降低超声波电动机系统的复杂性,提高性价比。迭代学习控制算法简单,根据较少的经验知识即可确定控制参数。针对超声波电动机的控制特点,改进了迭代学习控制算法,设计了电机转速迭代学习控制策略。实验表明,电机系统具有较好的迭代学习能力,控制效果在重复学习过程中渐进改善,控制策略简单有效。

基于改进BP算法神经网络的超声波电动机速度控制

针对超声波电动机没有精确数学模型,输出具有很强的时变性和非线性的特点,提出了一种改进BP神经网络控制器,神经网络由输入层、隶属函数层、规则层和输出层四层节点构成,在传统BP神经网络基础上,加入了模糊偏差单元和关联节点,使规则层不仅接收来自隶属函数层输出的信号,还接收自身的延时输出信号,能够存储过去的输入输出信息,提高控制系统学习记忆的稳定性。将改进BP神经网络控制器应用于行波超声波电动机速度控制,仿真实验验证了该方法的有效性,与传统BP神经网络相比较,控制精度、响应速度都有改善。

柔性转子对行波超声波电动机性能的影响

提出旋转型行波超声波电动机中柔性转子的明确定义,指出柔性转子属于做大范围运动的弹性圆板的动力学范畴,得到了柔性转子上任意点的运动描述。利用Lagrange方程,得到柔性转子的刚柔耦合的动力学模型,并将其与基于柔性转子的接触界面模型、定子的半解析动力学模型有机地融合在一起,得到了整个电动机的动力学描述。通过分析实例,表明当把转子作为柔性体来考虑时,定、转子的接触界面变得复杂和不对称.由此解释了试验中发现的适当转子阻尼可以改善电动机性能的现象。进一步分析和阐释了柔性转子通过自身的弹性变形,减少界面上定、转子之间的径向磨损并提高电动机输出效率的机理,得到了试验的验证,为柔性转子的结构设计提供了理论依据。