超声波电机研究 开题报告.docx

哈尔滨工业大学硕士研究生开题报告 PAGE \* MERGEFORMAT 14 哈尔滨工业大学 硕士学位论文开题报告 题 目：超声电机驱动技术研究 院 （系） 航天学院 学 科 控制科学与工程 导 师 赵辉 研 究 生 袁博楠 年 级 2010级硕士 开题报告日期 2011-7-15 研究生院培养处制 1课题来源及研究的目的和意义 超声波电动机 (简称为USM )是利用压电材料的逆压电效应,把电信号加到压电陶瓷-金属构成的定子上,使定子表面的质点产生一定轨迹的机械振动,驱动转子运动的新型电机。由于定子的振动频率多数处在超声频范围,所以被称为超声波电动机[1]。这种电机的具有能量密度大、响应快、结构紧凑、低转速、大力矩、不受电磁干扰、断电自锁等优点。 在微型机械、机器人、精密仪器、家用电器、航空航天、汽车等方面有着广泛的应用前景。 由于超声波电机的特殊结构和运行机理，使得超声波电机具有不同于传统电磁型电机的优点，但是在研究中也同时产生了一些问题： 1）由于超声波电机是利用定、转子之间的摩擦传动的，其滑动接触比较复杂， 传动规律难以精确地表达，目前还没有一个精确的模型来描述超声波电机。 2）超声波电机属于容性负载，会导致电机的谐振功率点的电流和电压相位不同，从而增加了电路中的无功损耗，输出效率较低。 3）由于压电材料的特殊性、摩擦发热和工作环境变化等问题，驱动转子的摩擦力将产生严重的非线性变化，这种变化使控制电机匀速转动的难度大大增加。 4）随着温度、输出转矩及定转子之间的静压力等外界条件的变化，压电陶瓷的谐振频率会发生漂移，从而导致电机性能的不稳定。 通过以上的分析得出超声波电机是复杂的多变量、强耦合、时变系统。因此，超声波电机的性能不仅仅取决于电机自身结构的好坏，在很大程度上还取决于其驱动控制系统的优劣，同时由于以上的困难也导致了超声波电机的驱动器设计的难度要远大于传统电磁型电机。那么以改善超声波电机运行平稳性、提高其运动控制装置性能为目标，进行超声波电机驱动控制技术方面的研究,对于超声波电机的广泛应用是十分必要的。 本课题的研究目的主要就是为了克服上述问题，对超声波电机的驱动技术进行深入的研究，最终设计出比较稳定的的频率自动跟踪电路、高精度快速响应电路，以及高效率的驱动容性负载的驱动器。 2 国内外在该方向的研究现状及分析 2.1 超声波电机国内外研究现状 20世纪40年代，人们就知道了超声波电机的工作原理[2]，但直到80年代，随着具有高转换效率的压电陶瓷材料的出现，以及电力电子技术的发展，才逐步研制出各种类型的超声波电机。 1987年，佳能公司将其开发的圆环型行波超声波电机正式应用于EOS相机自动调焦系统，实现了超声波电机的商业应用[3]。日本在超声波电机的研究方面一直处于世界领先地位。它掌握着世界上大多数超声波电机技术的发明专利。在日本，几乎各知名大学和许多公司都对超声电机进行了研究和生产。环状行波型和棒状行波型电机已大批量生产，最近一种驻波型电机也已投入批量生产，主要用于工作时间短、精度高及某种特定功能的机器或领域中。日本公司将超声波电机应用于自动门、风扇、微动台、控制台、家电产品中，进一步开辟并扩大其应用市场[4]。 20世纪末和新世纪初，中国、美国、德国、法国、英国和其他一些发达国家都开始了对超声电机的研究。最近几年来，除了日本之外，美国、德国、法国、中国、瑞士、韩国、土耳其和新加坡等都有超声波电机产品进入市场，在这些国家中，以美国发展得最快，应用的领域也最广[5]经过十年的发展，美国许多单位都在进行超声波电机的研究，如麻省理工学院(MIT)、美国航空航天局(NASA)、喷射推进实验室(JPL) ,Stanford, Berkeley, Wisconsin, Penn. State和 DARPA(Defense Advanced Research ProjectAgency)等[6]。美国某些公司生产的超声波电机产品已经在航空航天、半导体工业、MEMS、和Bio MEMS等领域先后得到了应用。美国为了发展空间的反导弹、反卫星及情报侦察系统，近几年将要发射100个以上的纳米卫星(质量7-8kg)。这种纳米卫星的核心技术之一是微机械和微传感系统，包括微传感/遥感器、微陀螺和微驱动器。为此，美国正加速发展微型超声电机(直径仅1-2mm）。图1为美国宾州(Penn. State)大学研发的微型超声波电机必威体育精装版成果[5]，该电机直径为1.8mm，长度为4mm 。 图1美