超声电机温升、结构参数和输出特性的相互关系

通过超声电机温度特性实验,分析超声电机产生热量的途径;研究预压力和摩擦层厚度对超声电机温升、运行转速和堵转力矩的影响规律;提出估计温升、转速和堵转力矩关系的经验公式。研究有助于控制温升,改善电机运行特性。     

一种控制力矩陀螺用双频驱动的超声电机

控制力矩陀螺的框架电机要求控制精度高,机械响应快,转速低,质量小,能适应高真空、高温差的工作环境。为满足上述需求,该文为控制力矩陀螺设计了一种异型模态超声电机,用以驱动力矩陀螺框架。并基于有限单元法计算及优化了样机外形尺寸,完成电机速度特性和负载特性的测试及优化。结果表明,该超声电机由超声电机定子、力矩陀螺转轴、基座组成。定子通过铰链固定于基座,弹簧机构对其施加预压力。超声电机质量25 g,最大输出扭矩0.04 N·m,满足控制力矩陀螺的使用要求。     

一种圆筒型转子的中空型超声电机的研制

针对某些飞行器舵机控制系统需要旋转型超声电机具有中空结构、转子与负载结构融合以及具备一定的保持力矩等特定工程技术需求,该文提出了一种圆筒型转子与舵翼结构一体设计(外圈输出)的中空型超声电机,开展了该型电机的结构及预压力施加方案的设计和试验研究。建立了电机定子的有限元模型,分析了不同结构尺寸对定子模态的影响,进行了结构尺寸的灵敏度分析,优化了定子的结构,计算出其共振频率、振动幅值。最后试制出了原理样机。实验表明,在激励电压为450 V,激励频率为40.2 kHz时,样机的空载转速可达208 r/min,堵转力矩可达0.35 N·m。     

基于扭纵复合型超声电机动力学模型的模拟计算

基于动力学原理，利用一种新的扭纵复合型超声电动机的动力学模型，模拟计算了扭纵复合型超声电动机的转速、转矩、效率和响应时间等特性。计算结果揭示了预压力、定子两路振动振幅等输入参数对负载特性的影响。此外，转子运转的响应时间与负载力矩间的关系也可由模拟计算导出。利用该模型对所研制的复合型超声电机实验样机进行的计算结果与实际测量结果基本相符，验证了该模型及相应数值计算方法的可靠性。利用该模型首次计算出定，转子接触与分离点的不对称特性。     

一种具有高转速的新型非接触式超声电机

提出并研制了一种具有高转速的新型非接触超声电机。建立了电机的驱动分析模型,仿真获得了输出力矩的特性。实验测试了样机定子的振动特性、电机转速和堵转力矩。其最高转速达到6 031 r/min,堵转力矩为3.5 mg.m。研究结果表明,理论分析和试验结果较吻合。     

圆盘超声电机准零刚度转子设计及其优化

该文针对长时间储存和高冲击环境导致超声电机正常工作预压力发生改变的背景,设计了一种受到外部环境扰动保持预压力恒定的准零刚度碟簧转子。借鉴了开槽碟簧设计思路,建立其参数化有限元模型。采用灵敏度分析选择主要设计变量,建立了在选定工作预压力附近准零刚度段最长的目标函数。利用有限元数值模型对该碟簧转子进行参数优化设计。结果表明,优化后的碟簧转子在正常工作预压力附近准零刚度段的长度达到0.6 mm,且在冲击环境下满足强度要求,最终通过实验验证了装配有该碟簧转子超声电机的输出特性良好。     

多载波码分多址两跳放大转发中继系统的能量效率与频谱效率关系

本文研究了多载波码分多址两跳放大转发中继系统的能量效率与频谱效率关系,利用随机矩阵理论的渐近分析推导了系统分别采用协作式和分布式放大转发中继时,系统能量效率与频谱效率关系的显式表达式。分析了不同系统参数对能量效率的影响。此外,还分析了系统要使频谱效率最优和能量效率最优时使用系统资源的区别。最后,通过仿真验证了理论分析的有效性。结果表明,能量效率与负载因子和中继个数的关系不是单调的,存在一个使能量效率最优的负载因子和中继个数,此外,使能量效率最优的负载因子和中继个数总小于或等于使频谱效率最优的负载因子和中继个数。      

行波型方孔定子超声电机结构设计与性能分析

该文提出了一种新型的方孔定子行波超声电机,并进行了参数设计、仿真分析和实验研究。定子由1个方孔金属体和4块压电陶瓷片组成,通过与直径大于定子内边长的转子配合发生弹性变形,从而对转子产生预压力,便于驱动。利用有限元软件对定子进行模态分析,选择第三阶模态作为工作模态,得到定子最大振幅与激励频率、电压、壁厚、边长及圆角半径的关系,并研究了频率、电压及预压力对转子输出特性的影响。制作了实体样机并测试了其输出特性,测试表明,当电压为100 V、激励频率为31.5 kHz时,其空载转速为215 r/min,堵转力矩达到1.58 mN·m。     

基于双定子直线超声电机的移动平台设计

设计了一个新型的直线超声电机移动平台,该平台利用超声电机的并联技术,采用对称的双定子推动直线导轨滑动。定子采用矩形板结构和一端铰支的夹持方式,其工作模态选用矩形结构的一阶弯曲振动模态和一阶纵向振动模态。分析表明,与其他振动模态相比,矩形板结构的一阶振动模态具有较高的输出效率;双定子对称结构能减小定子与直线导轨间预压力对移动平台的影响,利于直线导轨运行稳定性的提高;定子一端铰支的夹持方式能增加定子夹持的切向刚度,可提高平台输出力。该文最后通过实验测试了双定子平台的输出特性。实验结果表明,双定子平台的负载达到8.5kg,最大空载速度为305mm/s,与单定子平台相比,其负载增加了70%。     

弯振模态板状直线超声电机的研究

通过改进直线超声电机的驱动足、夹持等结构形式,提高了电机的输出特性。设计了一款新型直线电机,电机由对称分布的板状振子和具有柔性的驱动足组成。通过ANSYS软件建立了电机有限元模型并分析电机工作模态,根据模态一致性原则设计电机尺寸;利用板状结构的弯振模态,降低了驱动频率,提高了输出效率;电机驱动足具有一定的柔性,在夹持组件作用下实现预压力的施加。最后对样机开展实验研究,结果表明,电机定子模态测试数据与仿真分析结论吻合,工作频率为27.5kHz,附近无干扰模态,相位差为90°,工作时发热较少;最大输出力为44N;双向驱动速度一致性良好,其中最大输出速度为267mm/s。     

基于半功率带宽法的行波超声电机谐响应分析

该文以本单位研制的中空行波超声电机定子为对象,进行了有限元建模及谐响应仿真,发现定子阻尼比的设置对仿真结果的准确性影响较大。通过多普勒激光测振系统测得定子模态参数,利用半功率带宽法求出定子模态阻尼比,代入模型后仿真跟实测结果基本吻合,工作模态B_(011)频率仿真误差为1.66%,振幅仿真误差为4.61%。将定子齿特征参数化,分析了齿距和齿高对定子模态的影响。根据低转速、大扭矩的电机设计目标选取了合适的齿参数,加工出新定子实物。基于同样阻尼比再次进行有限元仿真并对新定子进行激光测振,对比得到工作模态B_(011)频率仿真误差为0.62%,振幅仿真误差为1.94%,验证了有限元谐响应仿真的准确性。此外,对原定子和新定子组装的电机进行性能测试,后者最高空载转速降低了30%,堵转扭矩提升了20%,符合预期设计。准确的参数化有限元模型有助于促进超声电机的快速化设计,提高了对符合电机目标功能的设计参数的选择效率。     

行波型超声波电机等效电路建模

该文在深入分析超声电机运行机理的基础上,从定子、接触区域和转子3方面建立了超声电机等效电路模型。综合现有超声电机等效电路模型的优缺点,考虑摩擦耦合对超声电机的影响,并结合转子振动方程,提出了摩擦层与转子的等效电路模型;对转子侧等效模型进行优化,使其与定子模型结合成完整的电机模型。基于所建立的模型理论,对等效电路进行仿真,仿真结果表明了转子对整个电机电气特征的影响。通过对实际超声电机的测试及其与仿真波形的对比,验证了所提出的行波型超声波电机等效电路模型的正确性,为进一步开展超声电机驱动器和控制器的设计提供了模型基础。     

大直径超声压电驱动器定子支撑的研究

定子支撑对大直径超声压电驱动器的振动模态产生影响,从而对驱动器的输出特性和运行特性产生影响。结合有限元和理论分析对定子的幅频特性进行分析,进一步得出输出转速和转矩与支撑尺寸的变化曲线,从而定量分析支撑尺寸的改变对驱动器输出特性的影响。结果表明,定子支撑尺寸的改变对转速和转矩产生了影响,但转速和转矩的变化范围在6%内,故在设计大直径超声压电驱动器定子时,可通过改变支撑尺寸确定驱动器最优工作模态,而不会对驱动器输出转速和转矩产生较大影响。     

基于神经网络的IMC-PID超声波电机控制

由于常规PID控制器无法有效地控制超声波电机非线性的运行特性,提出了一种基于神经网络的可变增益型内模PID控制(IMC-PID),构建IMC-PID简化PID控制器的参数整定,只需调节其中一个参数,为弥补超声波电机的非线性问题,引入神经网络到控制器中来调节参数。实验基于超声波电机伺服系统,利用该控制系统对行波超声波电机进行控制,得到了控制输入和输出的响应关系,并得出了较小的稳态误差,实验证明对超声波电机特性变化及负载扰动适应能力强。     

Modeling, identification, and compensation of pulsating torque inpermanent magnet AC motors

Permanent magnet AC motors generate parasitic torque pulsations, owing to several electromagnetic phenomena, such as imperfections in the motor and in the associated power inverter. Excitation of the mechanical resonances on the load side is generally the worst consequence of such disturbances; speed oscillations arise which may dramatically limit the performance in high-precision applications. A compact model of the pulsating torque in sinusoidal permanent magnet motors is presented in this paper, based on a combination of theoretical analysis and experimental identification. Online identification algorithms and a compensation scheme are also outlined. The control scheme autonomously identifies the parameters of the disturbance model through simple closed-loop motion experiments. The compensation is then applied as a modification of the output of the position controller. Experiments carried out on an industrial robot demonstrate the effectiveness of the control scheme in suppressing oscillations, both on the motor and on the load sides