直线超声电机特性测试系统的设计及试验

针对现有直线超声电机特性测试系统存在的测试精度低、功能单一和自动化程度低的问题,笔者设计了一种直线超声电机特性测试系统,主要由电机驱动模块、数据采集模块和测试控制及数据处理模块3部分组成。电机驱动模块以STM32F429微控制器为核心,可方便实现对驱动信号的电压、相位以及频率等参数调节;数据采集模块主要由位移传感器、拉压力传感器和高速数据采集卡组成;测试控制数据处理模块主要由PC机实现。利用该系统对一种蝶形直线超声电机的机械特性和瞬态特性进行了测试,结果表明:该系统可很好地实现对直线超声电机的特性测试,而且操作简便,易于扩展。     

直线超声电动机驱动的平面3-PRR并联平台视觉精密定位

提出一种直线超声电动机驱动的平面3-PRR并联平台,研究并联平台视觉精密定位技术。给出并联平台结构并采用矢量链法得到并联平台运动学模型。针对并联平台动平台位姿测量问题,利用视觉系统作为反馈单元,通过图像处理技术对动平台上的人工特征中心定位,实现对动平台位姿精确测量;针对传统PID关节控制器在实际控制中问题,采用基于扰动观测器的并联平台支链控制器模型。试验结果表明：对于目标位置为(20 mm,20 mm),并联平台半闭环控制精度约为±500 µm,而通过视觉定位精度达到±5 µm。视觉定位较半闭环控制大幅提高了并联平台定位精度,能够满足并联平台大行程、高精度定位的需求。     

直线超声电机精密定位系统平台搭建

针对直线超声电机驱动的精密定位系统,采用LabVIEW开发上位机软件,选用TMS320F2812DSP作为下位机进行实时控制,通过RS232串口实现上下位机的串行通讯.利用LabVIEW特有的循环事件结构自动感知用户事件,继而发送相应的命令信息给DSP,DSP接收相应动作命令后,对精密平台进行实时控制,并将运动数据回传给上位机,显示运动信息.实践证明,该控制平台操作简单、界面友好、数据反馈及时和可移植性强,具有较高的实用性.     

直线电机驱动二维精密定位平台的设计研究

对直线电机驱动的两维大范围、高速、精密二维定位平台进行了总体设计,然后对导轨、直线电机和测量反馈系统进行了选型与计算,最后分析了二维定位平台的定位精度.样机测试结果表明,该平台在XY两个方向的定位精度基本满足设计要求,为系统标定与误差补偿提供了参考.     

精密直线定位平台

进入21世纪以来，直线运动部件已经逐渐向复合化、轻量化与模块化发展，而精密直线定位平台正是这种发展趋势的代表。目前此类直线定位平台在多个领域已经有较广泛的应用，并由此类平台衍生出多种传动组合单元，使系统配置更加简单快捷。本文主要介绍有代表性的LS系列直线定位平台，如图1所示。     

杆式旋转超声电机在精密定位平台上的应用

介绍了一款杆式旋转超声电机,它由一个定子和两个转子构成,利用两个一阶弯曲振动模态工作。将该电机应用于驱动精密定位平台,并构建了基于计算机与GO-400运动控制器的精密定位平台控制系统。对于杆式超声电机,当利用专用驱动器供电,驱动器的输入电压为直流15V时,电机的空载转速为206r/min,堵转力矩为0.273N.m。对于精密定位平台,通过对电机进行正/反转控制、速度PID控制,实现平台的精密定位,定位精度达到2μm。进行了平台步进试验,其正/反向的位移分辨力都为1μm。利用旋转超声电机作精密定位系统的致动器时,可以采用旋转型光电编码器代替昂贵的直线型编码器,从而大大降低整个精密定位系统的价格。     

基于虚拟仪器的直线超声电机机械特性测试

针对直线超声电机机械特性测试问题,建立了基于虚拟仪器的直线超声电机机械特性测试系统。设计了力与速度测试系统,为测试的直线电机提供加载,配置的压力传感器与直线型光电编码器分别用于电机输出力与速度的测量,利用虚拟仪器技术搭建了测试硬件平台。利用虚拟仪器编程语言LabVIEW对各个模块进行软件设计,以实现各自的功能。利用该系统对杆式直线超声电机和双变幅杆V形直线超声电机的机械特性进行了测试,测试结果证实该测试系统的可行性,为直线超声电机机械特性测试提供了所必需的条件。     

菱形压电电机在并联精密定位平台中的应用

为了解决传统压电陶瓷驱动器固有的高精度与大行程的矛盾,提出了利用非共振式压电电机的两种不同运动模式来实现精密定位平台的定位高精度与工作大行程的方案。设计了一种新型菱形压电电机,分析其工作原理,给出了定子结构及夹持预紧结构的设计方案。菱形压电电机的实验结果表明,其步进作动模式下定位分辨率为1.0μm,连续运动模式下最大空载速度为0.932mm/s。在此基础上,利用3台菱形压电电机同步驱动并联精密定位平台,实验结果表明,并联平台平动定位分辨率为1.0μm,转动定位分辨率分别为8.6,11和10μrad。实验重复进行10次,动平台定位分辨率的波动率均低于5%,表明了该并联平台具有良好的同步性与重复性。另一方面,利用菱形压电电机的连续运动模式可实现大行程空间定位,其平动工作行程为3.54 mm,转动工作行程分别为3.92°,4.16°和4.05°。借助于菱形压电电机的不同工作模式实现了并联平台的精密定位和大行程工作空间两个关键指标,为进一步研究精密定位平台的动态性能、控制规律提供了理论价值和实践基础。     

直线超声电机的研究进展

文中概述了直线超声电机特点、类型、驱动原理及其在国内外的发展研究现状，展望了直线超声电机的应用前景。     

基于超声电机的X-Y精密定位工作台

超声电机是一种新型的微型电机,与传统的电磁电机相比它具有很多优点.基于这些优点超声电机可以在诸如定位、跟踪等方面有较好的应用.本文将超声电机作为于定位工作台的驱动部件,由两台行波型超声电机分别带动工作台的X、Y轴上的滚珠丝杠旋转,实现X-Y工作台的精确定位,定位精度可以达到2微米.     

Novel linear piezoelectric motor for precision position stage

Conventional servomotor and stepping motor face challenges in nanometer positioning stages due to the complex structure, motion transformation mechanism, and slow dynamic response, especially directly driven by linear motor. A new butterfly-shaped linear piezoelectric motor for linear motion is presented. A two-degree precision position stage driven by the proposed linear ultrasonic motor possesses a simple and compact configuration, which makes the system obtain shorter driving chain. Firstly, the working principle of the linear ultrasonic motor is analyzed. The oscillation orbits of two driving feet on the stator are produced successively by using the anti-symmetric and symmetric vibration modes of the piezoelectric composite structure, and the slider pressed on the driving feet can be propelled twice in only one vibration cycle. Then with the derivation of the dynamic equation of the piezoelectric actuator and transient response model, start-upstart-up and settling state characteristics of the proposed linear actuator is investigated theoretically and experimentally, and is applicable to evaluate step resolution of the precision platform driven by the actuator. Moreover the structure of the two-degree position stage system is described and a special precision displacement measurement system is built. Finally, the characteristics of the two-degree position stage are studied. In the closed-loop condition the positioning accuracy of plus or minus 0.5 μm is experimentally obtained for the stage propelled by the piezoelectric motor. A precision position stage based the proposed butterfly-shaped linear piezoelectric is theoretically and experimentally investigated.     

Precision control system of two-DOF stage with linear ultrasonic motor

Using an appropriate control method, linear ultrasonic motors can be used in applications requiring high position accuracy. In this paper, a closed loop PI control system is designed to achieve high position accuracy during the control of a two-DOF stage driven by linear ultrasonic motors. Two ultrasonic motors are mounted on the stage to generate motion in two orthogonal directions. The PI control algorithm is used to increase the stability and accuracy of position control. The x-axis mover covers 30 mm forward and backward in less than 0.3 s settling time and the y-axis mover in less than 0.4 s. Experimental results denote that the control strategy proposed in this paper appears to have high efficiency, quick response, and high accuracy.     

新型惯性式直线超声压电电机的运动机理及实验研究

提出了一种新型惯性式直线超声压电电机.该电机利用压电晶体的逆压电效应和惯性位移原理,由定子的轴向变形,通过摩擦力的作用,以惯性位移的形式传递运动.它由两部分组成,定子由具有位移放大功能的压电复合换能器和轴组成,动子为一带有缺口和环形凹槽的环.分析了该电机的工作原理,并通过仿真和实验相结合的方法分析了两种激励方式对电机性能的影响.实验结果表明:样机采用方波驱动比采用锯齿波驱动的效果好;在采用方波驱动信号驱动时,样机的最大空载速度可达到11 mm/s,最大输出力达到0.5 N.     

卧式板型直线超声电机的微型化

基于L1B4板型直线超声电机,研制了一种外型尺寸为36mm×5mm×4mm的卧式板型微型直线超声电机。论述了电机的工作原理和运行机理,使用解析法和有限元法进行了微型化结构设计,分析了定子的振动模态,并实现了频率简并。通过模拟压电激励的动态频率响应,对比了样机的5片压电陶瓷布置方案和常用的两片压电陶瓷布置方案的共振位移响应曲线,证实了采用5片压电陶瓷布置方案增大了输出端点处产生的振动位移。样机特性测试实验表明,当激励信号电压为150Vpp,频率为62kHz时,电机最大速度为183.7mm/s,输出推力为50mN。预期该电机可以用于电机安置空间比较狭窄且需要一定动力的直线驱动场合。     

A piezoelectric motor for precision positioning applications

This study presents a novel precise piezoelectric motor capable of operating in either an AC drive mode or DC drive mode. In the AC drive mode, the motor acts as an ultrasonic motor which is driven by two orthogonal mechanical vibration modes to generate elliptical motion at the stator to push the slider into motion. In the DC drive mode, stick-slip friction between the stator and slider is used to drive the motor step-by-step. The experimental results show that the AC drive mode can drive the motor at a high moving speed, while the DC drive mode can simply drive the motor with a nanoscale resolution. In our experiments, a prototype motor is fabricated and its actions are measured. The results demonstrate that in the AC drive mode, the piezoelectric motor can achieve a 106 mm/s speed without a mechanical load and a 34 mm/s speed with 340 g of mechanical load when applying two sine waves with a drive of 11.3 V at 38.5 kHz. Meanwhile, in a DC driving mode, the motor is capable of performing precision positioning with a displacement resolution of 6 nm when driving at 100 Hz.     

利用补偿提高精密定位平台的定位精度

系统误差在较大程度上影响精密定位平台的定位精度,必须采取适当措施进行消除。反相补偿法可以大幅度消除系统误差的影响,是一种易行有效、花费较少的补偿手段。运用反相补偿法原理,从误差曲线中分离出系统误差并与其反相曲线叠加以消除系统误差的影响。给出了对精密定位平台宏动工作台和微动工作台进行补偿的具体实例,补偿后定位精度分别从17.4μm提高到1.3μm和从137.6 nm提高到22.2nm。理论分析和实验结果都表明,反相补偿法对于降低系统误差十分有效,但对于随机误差效果不佳。     

超声电机速度与位置的高精度控制

由于超声电机压电材料、摩擦材料、接触界面的非线性,速度平稳性和位置控制精度不高,这在一定程度上制约了它在高端精密装备中的应用。本文介绍了一种实现超声电机速度、位置高精度控制的方法。从连续运动与步进运动两个维度分析了超声电机的速度调控机理,阐明了速度波动的误差来源,建立了以幅值、频率为输入量,融合稳态环节与动态环节的速度模型。为了准确预测步进位移量,建立并辨识了启动-关断两段式二阶速度模型;接着采用双环复合控制算法实现了高平稳性速度控制,并通过驱动参数优化实现了电机的高分辨率位置控制。最后,运用分段逼近策略实现了高精度定位。实验结果表明,在速度控制方面,采用双环复合方法控制的速度平稳性为0.44%,相比单速度环的控制效果提升了一倍;在位置控制方面,超声电机的开环位置分辨率达到了0.375μrad,定位精度达到了1.7μrad。本文提出的控制方法综合了不同参数及不同环路的调控特点,有效提高了超声电机的速度与位置控制精度,为超声电机在精密装备中的拓展应用奠定了基础。     

蝶形直线电机的模糊Takagi-Sugeno鲁棒控制

为了克服现有双足蝶形直线超声电机驱动的一维平台定位中的摩擦驱动非线性,本文基于电机工作原理和扇形非线性特性建立了电机及平台的模糊Takagi-Sugeno(T-S)模型。基于该T-S模型,采用系统增广的方法设计了无静态误差伺服定位控制算法;设计中考虑了鲁棒H∞性能,使得该非线性系统的模糊控制器具有较好干扰抑制性能和鲁棒性。采用嵌入式微控制器实现了所设计的控制算法,并进行了不同步进值的伺服定位控制实验。实验结果显示,在不同步进值下系统的超调量小于4%;在空载和带载荷的状态下对伺服定位控制实验数据的对比显示,系统最大超调量小于5%。与传统PID控制算法相比,本文提出的控制系统具有较高的定位精度,良好的运动平稳性和鲁棒性。     

蝶形双驱动足直线超声电机设计及实验

提出了一种新型双驱动足直线型超声电机.该电机利用联接成一体的两个振子的对称振动,在驱动足端面质点上可获得定/动子之间接触面的切向运动;利用反对称振动,可获得法向运动.同时,激励振子的对称和反对称振动在两个驱动足端面质点上町形成相同方向椭圆运动轨迹,从而驱动压在定子上的动子直线运动.采用有限无法分析了共振频率对结构参数的灵敏度,根据各灵敏度大小适当地调节了结构参数,使定子的两相共振频率基本达到一致.为了获得高速和大推力,前端盖选用硬铝材料,后端盖选用黄铜,压紧螺栓选用镀铬高强度钢材料.实验结果表明:在预压力为70N下,样机的空载速度为0.75 m/s,最大推力为16 N,是定子质量的22倍.     

直线电机精密定位平台轨迹跟踪控制器设计

为了实现直线电机精密定位平台的位置和速度的轨迹跟踪控制,本文基于内模控制（IMC）的基本原理,在直线电机精密定位平台参数辨识的基础上,设计了定位平台速度环的模型状态反馈（MSF）控制器和基于位置环PID和速度环MSF的级联控制器。将PID/MSF级联控制器与速度/加速度前馈控制（VFC/AFC）相结合,构成了PID/MSF+VFC/AFC的复合轨迹跟踪控制器。该复合轨迹跟踪控制器通过整定速度前馈的增益来改善位置环偏差控制的跟踪滞后现象和动态响应,增加控制系统的稳定性和伺服精度;通过整定加速度前馈的增益在不减小级联控制器位置环增益的前提下,减小速度前馈带来的超调量,提高轨迹跟踪精度。基于MATLAB/dSPACE实时仿真控制平台,实现了某直线电机平台的轨迹跟踪控制。仿真和实验结果表明,该轨迹跟踪控制器的轨迹跟踪精度为±0.028 mm,定位精度为±4 μm,满足直线电机精密定位平台轨迹跟踪控制的要求。