驻波型直线超声波电机接触特性有限元建模与分析

超声波电机接触摩擦是影响电机性能的关键环节,建立超声波电机的接触模型对电机性能优化具有重要作用。现有对驻波型超声波电机接触问题的研究,大多采用解析法,需要采用较多的简化假设,难以准确反映电机实际结构及真实接触情况。针对这一问题,采用有限元法,对驻波型直线超声波电机接触特性进行建模和分析。首先,考虑定子复合结构,建立定子三维有限元模型,分析定子在外加电压作用下的振动响应,得到定子振动位移表达式。在此基础上,考虑定子与动子的结构和接触特点,建立定、动子接触三维有限元模型。基于所建立的模型,分析了定、动子的接触状态、接触压力分布,并研究了驱动电压大小和预压力变化对接触特性和电机性能的影响。最后,搭建试验测试平台,测量了电机的输出特性,并与理论计算值进行对比,对比结果验证了所建立的定、动子三维有限元接触模型。

基于等效电路模型的超声波电机串联谐振频率识别方法

在超声波电机运行过程中,由于负载、温升等因素的影响,电机的串联谐振频率会发生漂移。为了对电机进行精确控制,需要准确识别并跟踪电机的串联谐振频率。基于超声波电机的Butterworth-Van Dyke(BVD)等效电路模型,提出电机的串联谐振频率识别方法。利用电机端电压和端电流作为反馈信号,对反馈信号进行处理得到差分电压,进而得到电机端电压与差分电压的相位差,并分析了该相位差与串联谐振频率的关系。在此基础上,设计了相应的电路实现方案,制作了电路实物,采用所提出的方法对样机的串联谐振频率进行识别,并用阻抗分析仪测量了样机的串联谐振频率。结果表明:利用所提出的方法识别得到的串联谐振频率与试验测量得到的串联谐振频率相吻合,证明所提出的超声波电机串联谐振频率识别方法的准确性。

超声波电机孤极反馈电压特性研究

超声波电机的性能完全依赖于其驱动控制系统。为了利用超声波电机的孤极特性,驱动系统需要对孤极进行反馈控制。针对超声波电机的孤极反馈,本文首先简要分析超声波电机的孤极电压特性,包括孤极电压的计算以及影响孤极电压的变量,并对现有超声波电机的孤极电压进行测试,然后对孤极电压反馈信号进行处理,并设计反馈控制,最后对增加反馈信号前后孤极电压的测试结果进行分析比较。实验表明,使用孤极反馈电压控制的超声波电机调速后,可以有效降低孤极电压的波动性。

基于三电平的超声波电机驱动电路调速性能研究

从超声波电机驱动电路拓扑结构出发,使用三相全桥电路构建三电平波形发生电路,得到基于三电平的超声波电机驱动电路,通过改变相关PWM驱动参数可以实现电机驱动波形的调频、调压和调相功能,进而实现电机调速。通过分析得到驱动电压、驱动频率与行波幅值之间的关系,使用半实物仿真平台对基于三电平的超声波电机驱动电路进行测试,验证空载、带载时超声波电机在调压、调频、调相的情况下转速的变化情况,从而实现基于三电平的超声波电机的调速性能测试,为电机调速打下基础。

端部激励式直线超声波电机的绝缘优化设计

端部激励式耦合型直线超声波电机压电陶瓷镀银层表面与金属弹性体凸出结构间隔距离较近,限制了施加电压的幅值,进而对电机的驱动性能有较大影响。本文对金属弹性体的凸出结构进行优化设计,分别设计了基于空气绝缘的凸出结构和基于树脂绝缘的复合凸出结构。理论分析表明,基于空气绝缘的凸出结构电机虽然具有最小的最大电场强度,有利于绝缘,但是其驱动性能较弱。而基于树脂绝缘的复合凸出结构电机具有比较平衡的绝缘性能和驱动性能。文章制作了样机并进行了实验,实验结果表明采用树脂绝缘的复合凸出结构电机较之传统端部激励式耦合型驻波直线超声波电机,其最大空载速度由41.56 mm/s提升为72.40 mm/s,性能提升较为显著。

基于改进Stribeck模型的超声波电机力矩-速度迟滞特性研究

为研究超声波电机的力矩-速度迟滞非线性,需要建立适当的数学模型对其进行分析。该文使用基于改进Stribeck模型对超声波电机迟滞特性进行建模,进而对电机输出力矩与转速之间的迟滞关系进行分析,然后通过超声波电机半实物仿真平台,对电机的力矩-速度特性进行实时测量,将改进Stribeck模型得到的迟滞曲线与试验得到的迟滞曲线进行比较,接着对改进Stribeck模型的参数(如黏滞系数和等效转动惯量等)进行整定,达到与实测迟滞曲线的最佳拟合效果,最后分析超声波电机在不同速度范围其力矩-速度的迟滞关系,尤其是低速运行时黏滞效应对迟滞参数的影响,试验结果表明改进Stribeck模型用于分析电机力矩-速度迟滞特性的有效性。

基于场路结合的大功率直线超声波电机压电-热-结构多物理场分析

物理场分析对于大功率直线超声波电机的设计与优化至关重要,该文提出一种基于场路结合的超声波电机压电-热-结构多物理场解耦分析方法,解决了超声波电机传统多物理场分析方法无法兼顾分析效率与计算精度的问题。基于场的观点建立压电-结构耦合以及热-结构耦合有限元模型,基于路的观点构建定子电-振-热耦合损耗计算模型及其二维热网络模型,在此基础上通过超声波电机内部固有的电-振-热耦合效应实现压电-热-结构多物理场耦合分析,并实现了对多场耦合作用下电机作动性能、电气特性、温升特性以及关键部件机械强度的快速同步评估。利用该方法对一台V型定子大功率直线超声波电机进行理论建模与分析,仿真和实验结果表明,所提出的方法可为大功率直线超声波电机的多物理场分析及多场耦合优化设计提供理论参考。

超声波电机二阶线性时变模型的迭代学习辨识建模

为了提高超声波电机(USM)转速控制模型的精度,提出一种基于迭代学习辨识的二阶线性时变模型建模方法。针对USM的非线性与时变特性,首先基于超声波电机驱动电压的频率作为输入变量,转速作为输出变量,建立一个描述其动态行为的线性时变模型。为提高模型辨识的精度与鲁棒性,改进迭代学习辨识(ILI)算法,通过优化误差加权范数和参数变化率范数相结合的目标函数,并且设计新的学习律,利用归一化柯西滤波窗口进一步地构造学习律的权重矩阵。仿真与实验结果表明,所提的二阶线性时变模型在描述USM转速运动特性方面具有较高的精度,迭代学习辨识算法展现了优良的收敛性和鲁棒性,能够有效应对时变扰动并改进USM的运动控制性能。

基于内孔仿形耦合技术的电机小齿轮轴超声波检测研究

针对某型机车电机小齿轮轴油槽裂纹问题,目前采用的超声波检测方法存在局限性,导致无法准确判断小齿轮轴的实际状态。文章通过对比几种超声波检测方法,提出了一种以小齿轮轴内孔作为检测面的横波检测方案,并研发了与小齿轮轴内孔仿形耦合的横波检测装置。通过试验检测和现场验证,证明该方案可大幅度提高现场检测的准确性。

二自由度超声波电机瞬态特性测试研究

多自由度超声波电机具有集成度高、动态响应快等特点,是实现复杂巧妙动作的理想驱动源。为发展其动态控制技术,提出一种新型的基于测速模块的二自由度电机瞬态特性测试系统。首先,介绍瞬态特性测试机构的结构形式和工作原理;其次,阐明瞬态特性的速度测试方法;最后,在两组驱动输入参数下,完成瞬态特性的比对测试。实验证明,设计的系统满足二自由度电机瞬态特性的测试要求,电机的启动与关断响应时间均很短,电机的动态性能较好。

环形行波超声波电机动态接触摩擦特性建模与分析

超声波电机的接触摩擦模型对电机结构设计和性能优化具有重要作用。该文考虑定子齿结构,基于Dahl摩擦这一动态摩擦定律,分析了定子振动的瞬态响应过程、定子齿质点与转子的法向接触和切向摩擦及转子运动方程,建立了环形行波超声波电机定转子动态接触摩擦解析模型。基于所建立的模型,研究了定转子间的接触状态和法向接触应力,以及相对速度和切向摩擦应力,并分析了电机的输出性能。最后,测量了样机的输出特性,将测量值与所建立模型的计算值进行比较,二者基本吻合。此外,也对比了忽略定子齿结构并采用库仑摩擦定律的接触摩擦模型的计算值,结果表明,所建立模型的计算值能更好地与实验值相吻合,说明所建立的模型能够更准确地描述定转子接触摩擦传动特性。

环形行波超声波电机面接触分析及转子结构优化设计

考虑转子的柔性变形,建立了环形行波超声波电机定转子三维面接触模型,分析了定子的振动、定转子的法向接触以及切向摩擦,研究了定转子间的面接触特性及电机的转矩-转速特性。结果显示:由于转子的柔性变形,定转子间的接触区域形状是不规则的,接触压力沿径向分布是不均匀的。通过将样机转矩-转速特性的理论计算值与试验测量值进行对比,验证了三维面接触模型。在此基础上,基于三维面接触模型,分析柔性转子结构参数变化对定转子最大接触压力及电机转矩-转速特性的影响,根据分析结果对转子结构进行优化,实现了定转子间的最大接触压力明显下降,并使电机的转矩-转速特性得以明显提升。

环形驻波超声波电机定转子接触摩擦模型

超声波电机的接触摩擦模型对电机结构设计和性能优化具有重要作用。针对环形驻波超声波电机定转子接触摩擦问题,采用库伦摩擦+黏性摩擦定律建立了定转子接触摩擦模型。采用所建立的模型分析了一个振动周期内接触界面的摩擦力变化情况,也研究了定子不同径向振幅以及结构参数对电机输出性能的影响。最后,测量了电机的转矩-转速特性,并将测量值与计算值进行对比,二者吻合度较好。另外,对比了基于库伦摩擦定律所建立模型的转矩-转速特性计算值,对比结果表明,与基于库伦摩擦定律所建立的模型相比,基于库伦摩擦+黏性摩擦定律所建立的模型能更准确地描述定转子接触界面的摩擦传动特性。

超声波电机转速控制模型的迭代学习辨识建模

超声波电机的转速控制模型是其运动控制研究的基础。为研究以驱动频率为调节变量的超声波电机转速控制模型,根据超声波电机驱动频率与转速之间关系特性的实测数据,建立超声波电机转速控制的二阶线性时不变模型。给出迭代学习辨识策略对电机转速控制模型的参数进行辨识。针对超声波电机的每组实测数据中数据量不同导致的参数收敛性减弱的情况,通过双范数最优理论来设计迭代学习辨识的参数学习律。将迭代学习辨识所得结果与Hammerstein模型比较。仿真和实验结果表明,二阶线性时不变模型下的迭代学习辨识可以有效地辨识超声波电机的模型参数,参数收敛速度快、收敛性较好,所建模型精度较高,建模方法有效。

RTWUSM30环型行波超声波电机谐振升压驱动器的研究

从超声波电机等效电路出发,研究了无变压器驱动的谐振升压超声波电机驱动原理,以RTWUSM30超声波电机为对象分析了输出电压与电感、输出电压与占空比的关系,以及输出信号各次谐波幅值和谐波所占的总功率比值同驱动信号占空比的关系。并设计了电路驱动RTWUSM30超声波电机,试验结果证明了该方案的有效性和可行性。

超声波电动机自适应滑模控制器设计

超声波电动机作为控制系统的执行器,被广泛应用于精密制造的驱动设备中。首先,为选择的超声波电机控制系统建立了近似的时域数学模型,使用最小二乘方法辨识了该系统模型的参数;然后,设计了一种连续切换自适应滑模控制器,并应用于超声波电机系统的控制,给出了超声波电机控制系统的稳定性检测方法,以及所设计控制器的参数选择方法;最后,采用传统滑模控制方法和所设计的控制方法跟踪相同的位置信号,取得了较好的控制效果。结果表明,对于跟踪幅值为40mm的位置信号,在较小抖振的前提下,传统滑模控制方法的最大跟踪误差为0.896 5 mm,连续切换自适应滑模控制的最大跟踪误差为0.164 6 mm,且无抖振。

行波接触型超声波电机定子振动有限元分析

行波接触型超声波电机是一种利用压电晶体的逆压电效应获得驱动力矩的新原理微特电机 ,它与由电磁作用获得转矩的电磁型电机的工作原理截然不同。该文在考虑定子环沿径向厚度变化及内外边界约束条件的基础上 ,建立了带有齿的行波接触型超声波电机定子模型 ,利用有限元法进行了定子模态和强迫振动响应分析 ,研究了定子直径和齿高对定子振动的影响。通过计算结果与实验的比较 ,证明有限元方法对于由复合材料构成、具有齿的超声波电机定子振动的分析是一种行之有效的方法。

基于DSP的超声波电机控制系统

超声波电机是一种新型的电机,其控制和驱动方法有别于传统的电磁电机。本文主要介绍了课题组所研制的一种基于DSP的超声波电机的控制系统,对系统的硬件及软件的实现技术做了分析。测试结果表明控制系统的性能稳定,控制方法可行。

双转子柱体超声波电机运行机理与实验研究

环形行波型超声波电机小直径条件下,输出性能逐渐失去低速大扭矩的特点。而柱体弯曲振动超声波电机是靠圆柱定子端部的摇头振动并通过摩擦来驱动转子的,定子的直径越小,摇头振动的幅值越大,因而,小直径时更能显示出这种电机的优越性。该文阐述了双转子柱体弯曲振动超声波电机的运行机理,证明了定子表面质点运动轨迹为一椭球;利用ANSYS有限元软件分析了电机的弯曲振动模态;用阻抗特性分析仪分析了电机的阻抗特性和相位特性;制作了直径为20mm、有两个转子的柱体弯曲振动超声波电机, 并对其输出特性进行了测试,最大转矩达0.16Nm、最高转速为220r/min。

超声波电机振动模态有限元分析

振动模态分析是超声波电机优化设计的重要步骤。该文描述了超声波电机振动模态分析数学模型。以直径为100 mm的环形行波型超声波电机为例,给出了电机振动模态ANSYS有限元分析结果,特别阐述了最优振动模态的选择。并对制作的电机进行了实验验证,结果表明:分析结果与实测结果一致。