Satellite Rotation Modulation Measurement System Based on Ultrasonic Motor

Rotation modulation technique is generally used to improve the performance of aviation and marine inertial navigation system.Considering of the performance requirements from current aerospace to MEMS micro-nano inertial device,this paper proposedrotary inertial device modulation technology application methods on the satellite.Firstly,taking the advantage ofultrasonic motor,like high resolution,fast response,electromagnetic compatibility,a lowmagnetic,high-precision and appropriate for use on satellite ultrasonic motor modulation turntable was developed.Then,through theoretical modeling and simulations,the rotation modulation technology was verified to improvethe precise of satellite attitude measurementeffectively,equivalent toimprove the accuracy of MEMS gyro over an order of magnitude.This work helpsachieve the application of rotation modulation technology in aerospace and acceleratethe promotion of the MEMS gyro in satellite attitude measurement.

Novel high torque bearingless two-sided rotary ultrasonic motor

Applications are limited at present because the currently available ultrasonic motors (USMs) do not provide suffi-ciently high torque and power. The conventional travelling-wave USM needs the bearing to support, which required lubricant. To solve the above problem, a bearingless travelling-wave USM is designed. First, a novel structure of the two-sided USM consisting of a two-sided teeth stator and two disk-type rotors is designed. And the excitation principle of the two-sided travelling-wave USM is analyzed. Then, using ANSYS software, we set up the model of the stator to predict the excitation frequency and modal response of the stator. The shape of the vibration mode was obtained. Last, the load characteristics of the USM are measured using ex-perimental method. The maximum stall torque and the no-load speed were obtained. The results showed that the characteristics of the two-sided USM are better than those of the conventional one-sided USM.

超声电机驱动的旋转变倍机构

为了弥补传统的沿光轴切向移入移出变倍镜组方式与沿光轴同向移动变倍镜组方式的变倍机构存在占用空间大、机构复杂、变倍时间长、控制精度低以及断电不能自锁等缺点,设计了一种超声电机驱动的光轴旋转方式移入移出的变倍机构。新变倍机构具有占用空间小、机构简单、变倍完成时间短、转角控制精确、可重复性强以及断电自锁等优点。实验结果表明,该变倍机构在100次可重复性关断特性试验中,平均转速为150r/min,试验得到最长的关断时间为0.756ms,最短的关断时间为0.748ms,关断时间最大误差为0.008ms,旋转变倍机构的最大转角误差为0.432′。最大转角误差在成像面上的偏移量<0.015mm,其误差在系统所要求的范围内。

液体媒质超声波电机转速特性研究

非接触型超声波电机有效地克服了传统的接触型超声波电机因接触所引起的使用寿命短、不能长时间连续运转等缺点,是超声波电机领域一个新的研究方向。文中介绍了非接触型超声波电机的结构和运行机理,对液体的声流速度进行了理论分析,从液体性质和转子结构角度重点研究了电机的转速特性。在液体性质方面从液位高度、液体粘度和非线性参数三方面详细分析了它们对电机转速特性的影响,从中得出,在一定范围内电机转速随液位高度的增加而增大,随粘度的增加而减小,与液体的非线性参数成反方向变化。在转子结构方面从转子直径、叶片高度、叶片数和所用材料密度4方面对转速特性进行了研究,得到了与转速的关系和转速特性良好的转子结构形式。在上述分析和实验基础上提出应用具有一定参数的液体和转子可有效提高电机转速的方法。

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。

圆柱形多自由度超声电机特性的实验研究

从提高驱动效率、改善输出性能的角度出发,研制了一台新结构形式的圆柱形多自由度超声电机,对电机定子的工作模态和电机的输出性能进行了测试。电机定子的模态实验表明,无论是工作频率的一致性、驱动端的振幅,还是压电陶瓷元件与工作振型的相互位置关系,均较好地满足了设计要求。电机输出性能的测试结果表明,电机的输出转速和输出转矩得到显著提高,电机的性能体积比超过国外同类型、同规格的电机。

新型多轴旋转超声电机原理

提出了一种多轴旋转超声电机结构及工作原理。该电机利用两个环形定子的振动相互配合,直接实现夹持在其中的球形转子的多方向旋转,避免了多定子多自由度超声电机的动力学耦合和单定子多自由度超声电机的预压力施加困难的问题。该电机具有结构简单紧凑、易于小型化的特征,可望用于光学镜头或一些机构的姿态调节。原理样机可直接旋转的方向数为9个,行波驱动获得的堵转力矩为0.012 1 Nm,驻波驱动的8个方向堵转力矩分别为0.004 3,0.003 2,0.004 1,0.003 7,0.004 0,0.003 3,0.004 3和0.003 5 Nm。

双斜槽式纵扭转换型超声波电机的实验研究

研制了两台双斜槽结构(A型和B型)的纵扭模态转换型超声波电机样机,针对其输出特性进行了对比实验研究。通过激光转速表测量了电机样机的输出转速,分析了工作频率、驱动电压、预压力对电机样机的输出转速的影响。实验结果表明:斜槽结构是影响这种模态转换型超声波电机输出特性的关键因素。在相同谐振频率37.7kHz,工作电压100V和预压力0.21N下,A型双斜槽电机样机的最高转速为87r/min,B型双斜槽电机样机的最高转速为135r/min。

多棱面金属管状弯曲旋转超声电机

研制了一种新型金属管状弯曲旋转超声电机,该电机的定子由一个具有12个棱面的金属管和粘贴其上的PZT片组成,其尺寸为外径42 mm、内径34 mm、长44 mm。当电机运行时,在定子端面圆周上激发出3个波长的行波,定子以3个波峰同时与转子接触。试验结果表明,电机的工作频率为29.9 kHz。在激励电压峰-峰值为250 V,预压力为7 N时,电机的空载转速为280 r/min,堵转转矩为62 N.mm,与同尺寸的采用4个激振区的弯曲旋转超声电机相比分别提高了40%和122%。

超声电机环形定子驻波的扭曲和旋转

超声电机环形定子上的驻波变形和振型旋转的现象在实验中被观察到,行波和类行波出现在单相激励情况下。该文讨论了单相激励行波和类行波的成因,当环形定子具有一个非轴对称结构时,同形退化模态不再存在,代之以两个近频模态,由于结构阻尼对这两个模态贡献不同,使得响应出现相位差,行波出现。类行波实质上不是行波而是驻波的扭曲,只是看起来像行波。

机车电机转轴42CrMo超声波探伤缺陷分析

对机车电机转轴42CrMo超声波探伤缺陷进行了低倍组织、化学成分、微观分析、金相组织、断口形貌等分析。结果表明,电机转轴钢质纯净,化学成分、金相组织无异常,低倍组织存在锻造偏心、锭型偏析、裂纹;缺陷是由于锻圆加热温度不均匀使得在锻造过程中金属流向不均匀而导致材料变形不均匀造成的。

基于面内模态的双腿式微型旋转超声电机

针对现有旋转超声电机不易与其他装置连接,以及因弹簧预紧造成轴向尺寸过长等问题,笔者提出了一种基于面内模态的双腿式微型旋转超声电机。电机由定子和锥形转子组成,定子采用一圆环加双腿式结构,在定子双腿外侧贴有纵振和弯振压电陶瓷片,双腿内侧有4个连接耳。电机定转子之间采用硅胶环和E型卡环进行预压力施加和端部紧固。电机利用圆环内侧周向行进的面内行波驱动转子旋转。利用ANSYS有限元软件对定子进行仿真分析,研究结构对模态的影响,以确定夹持和压电陶瓷片的粘贴位置;并对定子模态频率进行灵敏度分析,指导定子结构尺寸(设计变量)的修改,以提高优化效率。制作多组样机并开展实验研究,机械输出特性的实验结果表明:该电机体积小,最大宽度仅为12 mm;结构紧凑,总质量为6.9 g,易于与其他驱动装置连接;最大空载转速为338 r/min,最大输出扭矩为1.44 mN·m。

超声电机在真空高低温环境下的驱动性能

为了对行波型旋转超声电机在同向负载下的驱动性能进行测试,并研究真空高低温环境对电机驱动性能产生的影响,设计并搭建了一套测试系统,从而实现了对超声电机转速和负载扭矩的测量,并对测试设备采取了控温措施,保证设备在高低温环境下的测试精度不会下降。试验结果表明,利用该系统可获得有效测试数据,得到超声电机在真空高低温环境下的驱动性能曲线,并将其与常温常压环境下的曲线进行比对,可以看到真空高低温环境对超声电机在同向负载下的驱动性能产生了一定影响。本研究成果为超声电机在航天领域的广泛应用奠定了可靠基础。

一种矩形板四足驱动旋转超声波电机的设计与仿真

为了拓展超声波电机的应用领域,提出了一种贴片式超声波电机。该电机利用压电陶瓷片d31横向振动模态激励矩形板产生变形,激发四个驱动足端面产生椭圆轨迹运动经摩擦耦合推动转子连续旋转。对定子组件的结构进行了优化设计,之后利用有限元法进行模态分析,提取到所需的谐振频率为22.244kHz,输入两相20Vp-p激励电压后得到了定子驱动足端面的椭圆运动轨迹。研究表明,提出的超声波电机驱动足采用摩擦面,相比于以往仅靠点摩擦驱动转子的超声波电机增加了定、转子之间的接触面积,提高了能量转换效率;同时贴片式结构为超声波电机的小型化提供了理论基础。

旋转行波超声电机最优预压力的研究

为提升旋转行波超声电机输出性能,研究其在不同负载下的最优预压力,针对TRUM-70H超声电机进行了理论计算和实验验证。建立超声电机动力学模型,分析了预压力对超声电机机械特性的影响;以TRUM-70H超声电机为对象,分析其最优预压力与负载力矩间的关系;搭建超声电机多功能测试平台,验证理论推导结果,并指出误差存在的原因;根据研究结论,提出超声电机装配时应根据负载选用预压力。结果表明,预压力和负载力矩对超声电机转速的影响存在耦合关系;在超声电机有效工作范围内,最优预压力值与负载力矩近似呈线性正相关;装配时根据实际负载需求设定超声电机预压力,可提高其输出效率。

基于在线LSSVM的超声波电机转速预测器

旋转行波超声电机的转速预测器,基于在线最小二乘支持向量机建立,并采用输入增维,化多值映射为多对一映射。其输出位置信息使用增量式圆光栅编码器进行测量,转速则由编码器位置信息求差分获得。输入数据每个点为相关的维向量,输出数据每个点为标量,同时在线更新的数据集。最后令LSSVM在线完成一步预测,由得到的原始数据和预测结果,可获得误差曲线和预测结果的迟滞环。实验验证该预测器有效。

新型锥壳形旋转超声电机的研究

该文提出了一种新型锥壳形旋转行波超声电机,该锥壳形超声电机振子的三阶弯曲振动模态可以将面内、外弯曲振动结合起来,实现新型振动模式的行波驱动。利用有限元软件确定了振子结构尺寸、三阶弯曲振型及频率并制作了原理样机,对原理样机振动特性及输出性能进行了测试。测试结果表明,当激励电压峰-峰值为240 V,谐振频率为27.53 kHz时,空载时超声电机最高转速为85.8 r/min,堵转力矩为441 mN·mm。

复十形定子正交模态驱动的旋转超声电机研究

为了丰富旋转超声电机的型式,该文提出了一种复十形定子正交模态驱动的旋转超声电机。选取定子的面内、外弯振作为电机的工作模态,阐述了定子驱动机理。建立了定子有限元(FEM)模型,对电机进行模态分析,基于两相工作模态频率一致性的目标对定子进行尺寸优化,最终确定定子的主要尺寸L、H、K、J、I、D分别为18.2 mm、3.2 mm、3.6 mm、4.3 mm、11.6 mm、3.4 mm,此时两相模态频率分别为37851 Hz和37959 Hz。对电机进行谐响应分析,以排除干扰模态的影响。对电机进行瞬态分析,当以250 V、37800 Hz的信号激励时,x、y、z各向振幅可达3.93μm、3.61μm、4.12μm。探究了电机的调压、调频及调相特性,设计了电机的装配结构,该电机有望产生较大的动力及速度。

双弯曲行波旋转型超声波电机的设计

根据超声换能器的原理及设计理论,研究圆柱定子双弯曲行波型超声波电机的驱动机理及设计方法.分别测试激励频率、驱动电压和预压力对超声波电机样机转速特性的影响.结果表明,输入信号频率偏离谐振频率越大,转速下降越多,频率可调范围较小,同时电机转速对输入信号频率变化较为敏感;电机的输出转速随驱动电压变化趋势有明显的近似线性关系;预压力对超声波电机的输出特性有较大的影响.

基于BPNN的超声波电动机转速控制与实验研究

为改善行波型超声波电动机因强非线性问题引起的转速跟踪准确性低和控制平稳性差等问题,设计了基于BP神经网络(BPNN)超声波电动机转速控制算法,并对设计算法进行了仿真分析;通过超声波电动机实验系统证明了该控制算法的有效性。研究结果表明,基于BPNN的控制策略可实现超声波电动机快速响应和高精度速度跟踪,控制误差小于2r/min。