行波超声电机振动模态非线性滑模观测器与协调控制

针对具有非线性、参数时变性的行波超声电机(TWUSM)运行中,两相振动模态直接关联电机运行性能却不易直接测量的问题,提出一种具有鲁棒性的非线性振动模态滑模观测器设计方法以及针对振动模态的控制优化方法.首先,分析了振动模态及其合成行波对输出转矩性能的影响;其次,根据可测的电流和电压信号,通过对振动模态一阶导数的估计,建立...     

行波型超声电机振动模态滑模观测器研究

行波超声电机（TWUSM）具有强非线性和系统参数不确定性,其不易观测的两相振动模态对输出转矩性能有着直接的影响。基于该分析,设计了具有鲁棒性的振动模态线性滑模观测器（SMO）,并利用Lyapunov法对该观测器的鲁棒性和稳定性给予证明,最后,通过仿真和实验对观测器进行验证。结果表明,该SMO能够准确获得TWUSM两相振动模态。此外,仿真和实验还表明,根据所设计的SMO的观测结果,可调节驱动电压,优化振动模态,从而降低输出转矩脉动,提高电机控制精度。     

超声电机中一种非线性现象的试验研究

研究了超声电机较长时间运行时温度上升,导致了定子的共振频率下降进而使机体的转速下降的非线性问题。对超声电机的多种非线性进行了简要分析,然后针对这种非线性问题,基于弧极电压的频率跟踪方法设计了一套有效的控制电路,通过上位机软件编程使电机的这种非线性现象显示出来。最后在试验平台的基础上,对超声电机的这种非线性处理前后的结果进行了比较,验证了采用此方法及其控制电路提高了超声电机的稳定性和可靠性。     

行波超声电机通用测控系统研究

行波超声电机作为比较成熟的超声电机得到了一定应用,但它运行速度变化大,对驱动电源要求高,限制了它的应用.为了研究行波超声电机的运行特性,寻找精确控制方法,设计了基于TMS320LF2407和直接数字波合成技术(DDS)的超声电机测控系统.实验证明系统测速可靠,输出实现了稳频和精确调整输出信号频率和相位差的功能.     

双足驱动直线超声电机定子的振动特性研究

提出一种新型双足驱动直线超声电机,采取一种结构简单的人字形结构定子,主要由4片压电陶瓷和金属基体构成。利用ANSYS软件建立其定子的有限元模型,对振动模态和谐响应进行仿真分析。探讨和分析了不同的定子夹角和定子材料对其谐振频率和振幅的影响。研究结果表明,电机定子的二阶弯曲振动模态是该新型双足驱动直线超声电机实现驱动的工作模态,其振幅大小与定子夹角和定子材料均有直接关系。在分析的三种定子材料中,紫铜定子的谐振频率最小,硬铝定子的振幅值最大。     

行波型旋转超声电机双路行波的运行机理

由于行波型旋转超声电机（travelingwaverotaryultrasonicmotor,TRUM）存在着诸多非线性因素,双定转子TRUM中的双路行波输出性能还有待提高。基于单定转子TRUM理论,研究了双路行波运行的轴向组合振动特性和周向合成输出特性,分析了单转轴一双转子结构体的轴向振动模型,由于该结构体阻尼减振的不足,提出一种隔振设计解决方案。建立了双路行波周向合成的输出模型,并探讨了两路行波不一致时的输出特点。实验结果表明,与单定转子TRUM相比,基于隔振结构的新型双定转子TRUM的输出转矩提高了80％,功率密度提高了43．1％,且双路行波输出转矩的合成效率达到90％。该研究为扩展TRUM的应用范围提供了参考。     

行波型旋转超声电机速度稳定性研究

为了提高行波型旋转超声电机速度稳定性,分析现有双轴承支撑情况下,加工和装配误差对速度稳定性的影响,认为沿圆周压力不均衡是造成速度波动的主要原因之一。提出了单轴承支撑附加调心结构的方案,使接触界面实现压力自平衡。理论和实验分析表明,这种方案使接触界面的压力分布更加均匀,速度稳定性更好。实验结果表明,与原结构对比,在超声电机输出力矩、速度范围等主要性能指标基本一致的情况下,超声电机的空载速度波动率降低了约40.0%,波动范围达到2.0%以内。     

行波超声电机摩擦界面的输出特性

摩擦界面对超声电机的性能有至关重要的影响。该文针对行波型超声电机的摩擦界面作了系统的研究，建立了其仿真模型，实验验证了其可靠性，并利用该仿真模型分析了摩擦界面的输出特性及影响因素，对摩擦界面的设计提供了依据。     

超声电机振动环境实验研究

超声电机在航空航天领域有着广阔的应用前景。考虑到振动环境对电机工作性能的影响,有必要对超声电机进行振动环境实验。该文就超声电机随机振动实验的条件和方法进行了研究,并设计了一套在振动环境下检测超声电机性能的装置。实验证明本研究所研制的TRUM60型超声电机能在功率谱密度高达0.4 g2/Hz振动环境下工作,其机械性能基本保持不变。     

振动电机非线性气隙偏心机理研究

为研究振动电机气隙长度对电感参数和定子绕组电流的影响,从基本结构和工作机理上分析振动电机与三相异步电机的区别,量化了振动电机转子主轴在运行时的形变,结合振动电机转子主轴的非线性,提出了振动电机气隙长度的计算公式,得到了振动电机气隙长度对内部电感参数及定子电流的影响,并基于交流电机多回路理论对电机进行仿真,理论分析与仿真结果表明,振动电机的气隙长度会使定子电流频谱图中产生f_1±f_r的特征频率,而普通电机则无。     

行波型超声波电机的温度特性

为解决行波型超声波电机运行中温升和发热严重问题,提出一种基于能量耗散的超声波电机表面温度特性理论模型。利用电机定子复合结构的振动耗散能、压电陶瓷的介电耗散能以及定、转子接触面的摩擦损耗能确定电机的总体能量损耗,采用自然对流传热问题的牛顿冷却定律和热容理论,建立超声波电机的表面温度特性理论模型;仿真分析电机结构和材料参数(包括驱动电压、驱动频率、预压力、摩擦材料特性以及负载力矩等)对电机表面温度特性的影响;通过实验研究温度对电机输出特性、谐振频率的影响。最后通过实验验证了该模型的有效性和正确性。     

夹持式双面齿型行波超声电机研究

针对传统行波超声电机单面驱动、输出力矩小以及激励电压与疲劳寿命受限于胶层强度等问题,设计了一种夹持式双面齿型行波超声电机.电机采用夹持式双面齿型定子和双转子结构,不仅可施加较高激励电压,而且可实现双面驱动.利用有限元软件对电机定子进行仿真分析,通过模态分析获得电机定子的B(0,8)阶弯曲行波模态振型及其谐振频率,并通过...     

基于有限元法的行波型超声波电机阻抗特性分析

利用有限元方法对行波型超声波电机的阻抗特性进行定量分析.以直径为60mm的行波型超声波电机为例,建立了电机定子的有限元分析模型,分析了在20～50kHz频率范围内,超声波电机定子的输入阻抗随频率变化的规律.此外,介绍了一种基于虚拟仪器技术的超声波电机阻抗测量方法,在20～50kHz的频率范围对该电机定子阻抗进行了测试.结果表明,利用有限元法计算得到的电机定子阻抗特性与实际测量值相符.     

旋转型行波超声电机的等效电路模型

在推导旋转型行波超声电机定转子运动拉格朗日方程和压电陶瓷电流方程的基础上,建立了超声电机的等效电路模型。并通过测量单相定子导纳、由摩擦层和转子材料特性参数估算模型中相关元件的值和解析计算电机输出功率及摩擦损耗的方法,对模型进行简化,并获取其中各参数。将电机不同负载转矩及驱动频率的工作条件考虑在内,以电机的等效电路模型作为驱动器的电气负载来设计驱动器参数。给出了理论计算同实测的结果,验证了等效电路模型的正确性和有效性。     

长环形行波超声电机的有限元分析及研究

以超声物料输送装置的环形压电振子为研究对象,分析了环形封闭梁结构的模态特征,借助于有限元软件确定了振子的结构尺寸。提出了在压电环梁上开设合适的沟槽来控制压电梁的满足行波驱动的振型及频率差的方法,并根据优化结果试制了压电输送振子,通过实验验证了模态控制的可行性。     

基于阻抗角特性的超声电机驱动控制研究

驱动控制对于超声电机的推广和应用十分重要。根据超声波电机的工作特点,该文分析温度变化对超声电机运行状态的影响,开发了一种基于驱动电压和电流相位差的驱动控制器,分析了各个控制部分的作用和设计方法,并进行了比较实验,结果表明这种控制系统能够达到稳定超声电机运行状态的目的。     

行波接触型超声波电机特性与控制研究

行波接触型超声波电机的工作原理与电磁型电机的工作原理截然不同,本文对其控制系统各组成部分作了分析,给出了控制器输出波形;并对行波接触型超声波电机定、转子之间的摩擦传动进行了研究,提出了电机效率计算方法,对机械特性与效率曲线进行了计算,计算结果与实验测试结果相符合。     

行波型超声波电机及其速度控制特性的研究

超声波电机是一种新型摩擦驱动器。由于它是利用压电陶瓷的逆压电效应形成的弹性波作为激励源,所以,该电机同传统的电磁式电机相比,具有小型轻量、无电磁干扰、响应速度快等特点,是微机械、医疗器械、航天航空等领域中理想的驱动器。本文阐述了行波型超声波电机的工作原理,并研制出直径４０ｍｍ的旋转式行波超声波电机的实验样机,作者分析了该样机的速度控制特性,提出ＰＷＭ是行波超声波电机理想的控制方式。     

高温环境下旋转型行波超声电机性能研究

行波型超声电机适合用于宇航搭载设备驱动器,因此必须对其进行包括高温环境的特殊环境下的性能研究。通过对行波型旋转超声电机在高温环境下进行了机械性能测试,得到了超声电机高温环境机械特性：超声电机的空载转速有所下降,但最大力矩随着温度的升高而增大,在70 ℃时,超声电机的堵转力矩达到最大,在80 ℃时,堵转力矩微降。分析了超声电机各个部件在不同温度环境下性能的变化对超声电机机械特性的影响：电机定子和压电陶瓷在高温环境下对电机的力矩和转速有提升作用;定、转子的摩擦界面在高温环境下对电机的力矩和转速起降低作用;预压力使超声电机的力矩起增加,但使电机转速下降。     

超声电机非线性建模和广义预测控制

针对超声电机输出速度与驱动频率、相位差和电压幅值呈很强的非线性,很难建立完整而精确的控制数学模型并用于高精确控制的问题,将超声电机模型分解为一个稳态非线性环节和一个动态线性环节组成的Hammerstein模型。为了辨识驱动频率、相位差和电压幅值与超声电机稳态速度的关系,提出采用均匀设计进行实验设计,通过对电机稳态速度和阶跃响应的辨识,建立旋转超声电机多变量非线性Hammerstein模型,并验证该模型的有效性。基于超声电机Hammerstein模型提出了两步法广义预测控制算法,分别以驱动频率、相位差和电压幅值作为调节变量,对电机进行速度控制仿真,结果表明该算法能够准确地跟踪设定速度,证明所提出的超声电机的辨识建模方法和广义预测控制的可行性。