NEW ROD-SHAPED ULTRASONIC MICROMOTOR AND ITS DRIVING PRINCIPLE

A new rod-shaped traveling wave ultrasonic micromotor is developed. In the micromotor, five pieces of piezoelectric ceramics clamped by two metal cylinders are used as its stator. The driving principle of the rodshaped ultrasonic motor is simulated. The stator structure and the position to lay these piezoelectric ceramics are calculated to improve the electro mechanical conversion efficiency. A flexible rotor is designed to reduce the radial slip between the stator and the rotor, and to improve the motor efficiency. The prototype motor and its micror driver are tested. The motor is 9 mm in out-diameter, 15 mm in length and 3.2 g in weight. When the motor operates with the first bending frequency （72 kHz） of the stator, its maximal rotational speed and the torque reach 520 r/rain and 4.5 mN · m. Results show that the motor has good stability. The speed fluctuation is controlled within 3% by the frequency automatic tracking technique.

多足式微型直线超声电机定子的设计与仿真

针对小空间、低电压、大驱动力的应用需求,提出了一种基于单弯曲振动模态的多足直线式微型超声电机。根据超声电机的驱动原理对定子结构进行设计,利用有限元软件ANSYS Workbench建立定子的动力学仿真模型,对定子进行结构优化及动力学分析,确定定子最终尺寸为8 mm×1 mm×0.6 mm,定子实测B3,B4模态谐振频率与仿真相比误差分别为6.99%和5.46%。最后,建立电机定、动子之间的非线性仿真接触模型,验证了超声电机双向驱动的可行性。搭建微型直线超声电机驱动性能测试装置。实测结果表明:当驱动电压为60 Vpp时,最大空载速度为53.3 mm/s、最大负载为43.3 mN,推重比达280。该微型超声电机原理可行、结构简单紧凑,具有良好的输出性能,在光学系统、精密定位系统和移动终端等精密驱动领域有着广阔的应用前景。

基于分数阶PID的宏微复合驱动器宏动控制策略

针对宏微复合驱动器控制系统中存在定位误差大和调节时间长的问题,提出了一种基于次最优分数阶PID的控制策略。简述了宏微复合驱动器结构及工作原理,并基于电磁驱动原理建立了宏动部分数学模型;设计了分数阶PID控制器,并采用遗传算法和次最优的方法对控制器进行参数整定;通过数值仿真和实验验证了分数阶PID控制器的有效性。结果显示,采用分数阶PID控制器相较于传统PID控制器在5 mm以及更大定位行程中位移超调量下降超过57%,调节时间减少超过24%,且行程越大驱动器采用分数阶PID控制器控制效果越明显。研究结果表明,分数阶PID控制器在宏微复合驱动器宏动系统中的控制效果明显优于传统PID控制器。

集成式电机主轴的力感知及微进给特性研究

为满足精密加工过程中对电机主轴的转速、进给距离和切削力精确控制的需求,将永磁同步电机和超磁致伸缩驱动器结合,提出一种具有转动、微进给及力感知功能的集成式电机主轴。为验证集成式电机主轴力感知部分的结构合理性,基于磁路法和有限元分析法,得出集成式电机主轴的微进给距离、外线圈感应电压与外部载荷的关系。最后,为验证仿真的准确性,搭建集成式电机主轴力感知及微进给试验平台。结果显示,在此磁路模型设计中,集成式电机主轴的磁通密度可达0.551 9 T,磁通密度均匀度大于77.85%,集成式电机主轴的微进给距离可达26.5μm,外线圈感应电压与外部载荷成反比且内线圈的最佳外加电流为5 A。研究结果表明,集成式电机主轴力感知及微进给功能的设计是合理可行的,为深入研究和精确控制集成式电机主轴奠定了基础。

基于MEMS与压电陶瓷钎焊的微型超声电机

面向超声电机定子的一体化与微型化需求,提出了一种基于钎焊与微电子机械系统(MEMS)工艺的微型超声电机定子。对超声电机的原理和结构进行分析,利用有限元法对定子的模态与谐响应进行了仿真。利用钎焊工艺将锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷与金属弹性体进行连接,通过MEMS与机械加工工艺对定子的驱动足、上电极等进行制备。对超声电机定子焊接情况进行表征,对超声电机的振动性能与驱动性能进行测试。测试了PZT压电陶瓷与金属弹性体的结合强度,两者之间的抗剪切强度为33.46 MPa,观察了焊接截面形貌,可看出各焊接层厚度均匀,无裂缝、孔隙。搭建实验平台对定子的振动性能与驱动性能进行了测试,微型超声电机的定子的谐振频率为188.15与266.16 kHz,最大振幅为228 nm,在激励电压为30 V、预压力为350 mN时,微型超声电机的最大速度为38.22 mm/s。实验结果表明,该超声电机定子钎焊情况良好,驱动性能较高,具有广阔的应用前景。

基于自抗扰的宏微复合驱动器宏动控制策略研究

面向高速精密定位领域设计了以音圈电机为宏动部分,超磁致伸缩驱动器为微动部分的同轴式宏微复合驱动器。为实现宏动部分的驱动控制,基于电磁驱动原理建立了宏动部分的动力学模型,设计了自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)系统,其包括4阶扩张状态观测器及非线性状态误差反馈控制率,采用5阶S型位移曲线作为路径规划,并搭建了实验测试平台进行验证。实验结果显示:定位过程中,ADRC算法控制下其最大跟随误差约为0.155 mm,最终定位误差约为9μm,在负载工况下,最大跟随误差约为0.277 mm,最终定位误差约为11μm。研究结果表明:ADRC算法较于PID算法跟随误差更低,超调更小,且最终定位误差处于宏微复合驱动器微动的定位范围内,满足整体设计要求。

一种用于旋转调制技术的微型超声电机定子

微型超声电机是实现旋转调制技术在微小型惯导上应用的关键部件,薄膜型MEMS超声电机是微型旋转调制技术的理想载体,然而现有MEMS超声电机存在着纵向稳定性和转速稳定性较差、晃动干扰大的问题,难以满足旋转调制需求。为解决该瓶颈问题,提出了一种基于MEMS制造工艺的工作在B15模态下的行波微型超声电机定子结构,设计悬空式圆环形定子结构,对定子薄膜型锆钛酸铅(PZT)层进行分区激励来获取两相正交驻波,以提高驻波模态频率匹配度;采用边缘引线和边缘支撑方式,以减小引线磨损。所设计定子结构包括半径为3 mm的环形Si基底,20个PZT分区、Pt电极和20根支撑梁;有限元仿真结果表明,该结构能够产生两相几乎对称且相位上相差四分之一波长的驻波,两驻波模态匹配度约100%,并验证了该结构下定子能够形成高质量标准行波,可为旋转调制技术提供稳定的驱动力矩。

φ1.8mm棒状压电陶瓷微马达的研究

提出一种低成本、结构简单 ,直径为 1.8mm的摆头式棒状压电微马达。阐述了压电微马达的驱动机理、部分制作工艺及工作特性。该压电微马达的换能激振部分采用外形尺寸 1.8mm× 8mm的压电陶瓷圆棒 ,马达整体装配外形尺寸 1.8mm× 12 mm ,质量不足 0 .2 5 g,稳定工作频带宽 ,约为 3k Hz,最高空载转速不低于5 0 0 r/ min。

超声波马达的发展──国内最新动态

基于最新参考文献与ＩＮＴＥＲＮＥＴ网络查询，本文提出超声马达或压电驱动器在我国科技领域最新的研究成果及其未来走向。其中，能够引起研究人员兴趣的尖端性领域包括；超声马达的微型化；具有多个自由度的压电驱动器；具有新颖结构的压电驱动器；超声马达的振动实验测试；高分辨率的压电驱动器；超声马达的使用寿命；超声马达的动力学模型等。

超声波马达在美国的发展

基于参考文献和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络查询，提出超声波马达在美国的最新研究与主要方向。研究包括：微型超声波马达、具有新颖结构的压电驱动器、超声波马达的使用寿命、超声波马达在太空环境中的应用研究等，这些方面已引起学者们的极大关注。这些重要的研究跨及航天、海洋、军事和民用领域。

微系统用超声微电机的研究现状和发展趋势

微电机是微机电系统 (MEMS)的核心 ,超声微电机是一个新的发展方向 ,这几年发展十分迅速 .首先对比分析超声微电机与电磁型微电机和静电微电机的区别 ,对国内外现有的几种超声微电机及其发展趋势进行了介绍和分析 ,指出目前超声微电机发展存在研究定位不明和关键技术尚未完全解决两大问题 ,并提出了今后超声微电机发展的研究定位和必须解决的一些关键技术 ,其应用重点是军民两用 ,特别是军工 .最后 ,指出市场牵引和工程实现是超声微电机取得突破的关键因素的同时 ,政府、产业和研究单位各方面的重视和形成合力则是推进我国超声微电机研究和产业化的关键 .

一种微型柱体超声电机的研究

对压电陶瓷片的布局方式与力系数之间的关系进行了分析,证明了压电陶瓷片粘贴在金属弹性体一阶弯振的波谷位置时其激振效率是最高的。研制了一种新型定子结构的微型柱体超声电机。该电机直径5mm,长30mm,重量4.2g。当驱动电压峰峰值为200V,驱动频率为53kHz时,电机最大转速为350r/min,堵转力矩为2.5×10?3N?m。因为这种电机结构比较简单紧凑,便于实现进一步的微型化。所以又利用压电陶瓷管为激励元件,研制出直径2mm,长度7mm,重量为0.258g的微型柱体超声电机。在驱动电压峰峰值为60V,驱动频率75kHz时电机的转速为813r/min。文中详细介绍了这2个微型电机的工作原理、结构特点和设计方法。

一种应用正态分布理论的直线超声电机精密定位控制方法

针对直线超声电机在精密驱动过程中存在较强的非线性、时变性及控制模型复杂等问题,提出了一种基于正态分布理论统计直线超声电机驱动电压与速度/位移关系的方法,结合模糊逻辑控制技术,实现了对直线超声电机精密定位控制。利用宏微驱动控制模式对超声电机驱动的平台进行大行程、高精度定位实验研究,实验结果表明采用所提方法,当行程为5 mm时,稳态误差小于5 nm,能抑制系统的超调,改善系统动态性能。同时,由于直线超声电机动态保持力非常大,使得系统具有良好的抗扰动能力。

宏/微驱动定位系统滑模变结构控制的研究

研究了具有宏 /微双重驱动定位工作台的滑模变结构控制技术 .该工作台采用直线电机进行大行程位移驱动 ,来保证较大的工作行程和较快的响应速度 ,采用压电陶瓷微位移器完成精密位移驱动 ,利用光栅尺实现闭环位移反馈 ,可以实现 10 0mm的工作行程 ,0 .0 1μm的重复定位精度 .

微机械技术发展现状

介绍了微／纳米技术和微型机械技术这一新兴学科的重要意义、主要技术内容和当前国内外研究发展现状。

压电微马达研究进展

利用网络和图书馆对国际上 1996年至今的压电微马达研究进展进行了调研。分别介绍了压电薄膜、陶瓷的行波、驻波类微马达的最新研究情况 ,同时也对一种具有与压电微马达特性相同的静电超声微马达的研究作了说明 。

仿生步行小型直线超声电机

提出了一种新颖的由扁柱状夹心压电振子构成的压电超声直线微电机。它能使驱动端产生类似于人步行的运动 ,借助摩擦力实现沿直线的双向动力输出 ,带动所搭载的物体做大行程精密移动 ;只需单相电源驱动 ,便于无线操纵 ;可在无辅助支持的情况下直立行走 ;通过切换驱动频率可实现双向运动。实验样机最大速度为 0 .0 8m/s,可搭载最大负载15N 。

微执行器驱动机理研究

微电子机械系统(MEMS)技术在未来的发展有着重要的意义。文中介绍了MEMS微致动器和各类驱动模式的优缺点,并以微马达为例,详细比较了其执行机制和原理。

微型旋转超声电机的发展和现状

系统地总结了微型旋转超声电机的发展,详细地叙述了各种微型电机的驱动机理、工艺方法和性能指标,并分析了各自的优缺点。讨论了在微型旋转电机设计中应注意的一些关键问题,为下一步微型旋转超声电机以及MEMS驱动器的研究工作提供了参考依据。