行波超声波电机相移pwm驱动与控制分析word格式论文.docx

河南科技大学硕士学位论文 优秀毕业论文  PAGE 70 精品参考文献资料 第1章 绪论 1.1 引言 为了满足现代自动化设备对运动控制装置提出的诸多新要求，如短、小、 轻、薄、无电磁干扰、低噪声等，从上世纪 80 年代开始，许多国内外学者开始 致力于超声波电机（Ultrasonic Motor，简称 USM）这种新型微特电机的研究与 开发工作。超声波电机结构原理如图 1-1 所示，它是利用压电材料的逆压电效应 产生超声波振动，从而把电能转换为弹性体的超声波振动，并通过摩擦传动的 [1] 方式转换成运动体的回转或直线运动 。 这种电机的输入驱动电源频率在 20kHz 以上，内部没有磁极和绕组，一般 由振动体（相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷和金属弹性体制成）和移动体 （相当于传统电机中的转子）组成。为了减少振动体和移动体之间相对运动产生 的机械磨损，通常在二者之间粘贴一层特殊的摩擦材料。在振动体表面粘贴的压 电陶瓷片上施加超声频率的交流电压时，压电陶瓷的逆压电效应在振动体内激发 出几十千赫兹的超声波振动，使得振动体表面质点形成具有一定运动轨迹的超声 频率微观振动，振幅一般为几个微米。该微观振动通过振动体和移动体之间的摩 擦作用，推动移动体沿某一方向做连续的宏观运动。由此可见，超声波电机是通 [2] 过重复应用小的位移来获得旋转或长程运动的一种机电能量转换装置 图 1-1 超声波电机结构原理[1] Fig.1-1 Structural principle of Ultrasonic motor[xx] 。因此，  与传统的利用电磁感应原理工作的电磁电机相比，具有体积小、重量轻、低速大 扭距、结构紧凑、无电磁干扰、控制精度高、动作响应快、运行无噪音、无输入 [3-5] 自锁等特性 。这些优点使它适合于微机电系统、精确定位控制、航空航天、 军工、机器人、医疗设备、办公自动化等高端运动控制应用领域[6-9]。正是由于 超声波电机所具有的这些突出特点，关于它的研究倍受关注，成为当今世界范围 内的新兴研究领域。 1.2 超声波电机国内外发展现状 超声波电机发展历史较短，其设计思想最早是由前苏联科学家提出的，到 上世纪八十年代日本在此领域取得了长足进步。众多日本研究者以应用为导向， 从多个方面研究了多种超声波电机的运行机理，进而在该种电机的驱动控制及应 用领域也取得了突破性的成果。在日本，许多著名高校和大公司纷纷开展了对超 声波电机的研究与应用工作。目前，日本拥有世界上关于超声波电机本体及应用 技术的多数发明专利。目前超声波电机在日本已经进入实用化的商业应用阶段， 相对研制比较成熟的环形、棒形等行波型超声波电机已进入批量生产阶段并得到 广泛应用。其超声波电机的主要生产与应用厂家有 Canon、Nikon、Olympus、 [10-11] Seiko、Epson、Toyota、Konica Minolta 等 ；它们所生产的各类超声波电机 在手表、照相机镜头自动调焦系统、小型机器人、高档汽车、微型直升机、医用 [12] 核磁共振设备及家用电动窗帘等产品上已经成功应用 。 随着超声波电机应用优势的逐渐显现，美国、西欧各国也在对超声波电机 进行广范的研究和应用，已在人工智能、太空环境、导弹飞行姿态控制和医用药 物注射等方面取得了很大进展[11]。在美国，MIT(麻省理工学院)的空间工程研究 中心、计算机系的人工智能中心都在研制用于空间和智能机器、电子工程方面的 超声波电机。最近几年，美国在宇宙飞船、运载火箭、火星探测器等航空航天工 程中都已成功运用了多种超声波电机[11-12]。在德国，Darmstadt 大学、Paderborn 大学等都在研究超声波电机。在英国， Cambridge 大学电子工程系对超声波电 机进行研究和开发，EMS 公司已开始批量生产。在法国，Besancon 大学等机构 也在进行超声波电机的开发和研究。意大利、瑞士、以色列、韩国、新加坡等地 都有大学和其它研究机构在研究超声波电机并开发实用技术[10-12]。 我国的超声波电机研究始于上世纪 90 年代，在一些高校和研究所中逐步开 展了对超声波电机的研究，包括对超声波电机的运行机理、驱动控制方法以及样 机的研制和试验。清华大学、吉林大学、浙江大学、南京航空航天大学、中科院  长春光机电所、哈尔滨工业大学等都开展了对超声波电机的研究，从无到有，取 得了一系列成果。1989 年，清华大学周铁英、董蜀湘等申请了国内首项关于超 声波电机的发明专利[13]，并在微型超声波电机领域取得了研究成果。吉林大学 在压电精密驱动技术方面的研究获得了较大进展，哈尔滨工业大学研制的超声波 电机专用摩擦材料已经能够满足大多工程应用的需求。目前国内超声波电机研究 与应用