超声波电机驱动控制装置的建模与仿真

《超声波电机驱动控制装置的建模与仿真》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、第1章绪论体而转子上粘结一层摩擦材料摩擦衬垫定转子之间通过施加一定的周向预压力使二者保持接触图1-2超声波电机工作原理图Figure1-2Schematicdiagramofultrasonicmotor其工作原理如图1-2所示由于压电陶瓷的逆压电效应当对压电陶瓷施加以超声频段且有一定相位差的两相电压时沿定子圆周方向就会产生行波振动当行波通过定子中心线上的点时该点作垂直方向运动其频率与幅值和行波的频率与幅值相同但是由于定子的弯曲使得远离中心线的点在做垂直运动的同时在水平方向上前后运动结果合成的运动轨迹为一椭圆从而使定子表

2、面粒子作椭圆运动通过施加一定预压力借助摩擦使与之接触的转子逆着波行方向旋转所以超声波电机的运行机理可以简单概括为两个能量转换的过程一个是压电陶瓷响应逆压电效应把电能转化为定子超声振动能一个是定子表面质点超声频率振动通过摩擦转换机制把机械振动能转换为转子的旋转动能由于超声波电机结构与工作机理特殊其数学模型涉及压电材料学振动学超声学摩擦学电机学电子学等领域尤其是超声波电机工作过程中定子与转子间的滑动摩擦系数不能完全确定谐振频率随环境温度变化会发生漂移因此具有许多非线性和不确定性因素很难建立能精确描述超声波电机特[1-7]性的

3、动静态模型国内外许多学者在这方面做了研究工作其中对超声波电机本体的建模分析通常分两种一种是基于电机本体结构设计的结构模型再一种是面向电机伺服控制应用的控制模型第一种数学模型包括超声波电机的状态空间描述便于工程分析计算的一维定子振动模型和考虑粘弹性的定转子接触模型等对超声波电机的设计和制造有指导意义第二种数学模型主要是对超声波电机工作过程中的两个能量转换过程的数学描述通过对超声波电机控制模型的3河南科技大学硕士学位论文研究能够为电机的伺服控制提供模型依据对电机的控制性能优化具有重要的参考价值通常采用的超声波电机建模方法有以

4、下四种1解析模型法为了能够实现电机的综合设计,需要建立一个能够反映超声波电机驱动机理[8-9]的解析模型以分析各种材料特性和结构尺寸对于电机性能的影响为电机的优化提供设计工具解析法是从压电材料的压电方程和动力学方程开始分析其振动模式频率和幅值通过研究定转子接触界面的摩擦传动来估算马达的输出力矩和速度图1-3Hagood提出的超声波电机解析模型的主要组成部分Figure1-3ThemajorcomponentsoftheUSManalaticalmodel[8]Hagood提出的超声波电机的解析模型框图如图1-3所示主要包

5、括定子振动模型图中A部分界面接触模型(图中B部分)和转子运动模型图中C部分解析模型中振动模型多是从克希霍夫薄板理论的假设出发其基本逻辑关系是应力应变以及位移三者之间的力学函数忽略次要因素求解上述三者构成的力学方程式从而获得行波USM定子振动和变形的理论方程从电学激励的角度得到了激励电压矢量与定子振动的直接函数关系定转子接触的界面模型主要是对定转子间压力分布动力传送摩擦损耗等的计算在进行理论分析时根据不同的近似程度有不同精度的模型最简化的模型是线接触库仑摩擦模型这种模型假设定转子在行波波峰处为刚性接触定转子之间为库仑摩擦是

6、一种简化的理想模型在电机实际工作时并不会实现采用柔性转子刚性定子的面接触库仑摩擦模型更符合实际接触状况详细分析4第1章绪论可参考文献[9]实际上电机运行过程中定转子之间不仅仅是滑动而是处于一种复杂的粘-滑交替变化状态因此更为精确的接触模型是考虑对超声电机启动和负载特性有明显影响的粘着和打滑现象而建立摩擦界面模型该仿真模型能够较为准确的反应电机的稳态时的运行状态转子运动模型主要依据轴向运动约束和旋转方向的运动平衡而建立的三部分的模型通过定转子间的相互作用力联系在一起,构成整个电动机系统的运动分[9]析模型Hagood给出的

7、压电行波超声波电机系统的数学模型如下xxf&ssA0sn24××B0sn22s=+xxf&0A0Brr42××nr4nrr1-1其中px=ss,f=+{}ΘV+FpNT(,)ωωffF(p,p&&,,),αp&0Inn××nn0nn×ABss==-1-1,,-1-MK-MCMαατ&&int(,,,)ppωfα&−τappliedxfrr==ω,,ωfFFint(,)pf−applied

8、ω&f010000A=0-/CIαr00,,B=1/Ir0rr000100000-/CMzrr01/M该模型中pαω分别表示与定子振动模态对应的模态坐标向量转子f转动位移转子表面质点相对于定子中性面的位移MKC分别表示质量矩阵硬度矩阵加压弹簧刚度矩阵Θ和V分别表