超声电机复合驱动控制系统的设计与实现

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1、硕士学位论文超声电机复合驱动控制系统的设计与实现DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFCOMPOUNDDRIVEANDCONTROLFORULTRASONICMOTORSYSTEMS张红哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TM38学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文超声电机复合驱动控制系统的设计与实现硕士研究生：张红导师：赵辉教授申请学位：工程硕士学科、专业：控制工程所在单位：控制与仿真中心答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM38U.D.C:621.3Dissert

2、ationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFULTRASONICMOTORCOMPOUNDDRIVECONTROLSYSTEMCandidate:ZhangHongSupervisor:Prof.ZhaoHuiAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:ControlEngineeringAffiliation:ControlandSimulationCenterDateofDefence:June,2018DegreeConfe

3、rringInstitution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要超声电机由于其低速大转矩、启停响应快、不产生电磁干扰等特点引起了广泛关注。与传统电磁电机不同，超声电机利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转化定子的机械能，定转子的接触摩擦带动转子转动。该过程会导致热量的积累，使电机运行特性发生变化。此外，超声电机调速特性还存在着死区。温漂特性和死区特性的存在大大限制了超声电机在伺服控制领域的应用。为了实现超声电机的伺服控制，本文的主要研究内容如下：首先基于阻抗分析仪的扫频结果确定了超声电机等效电路模型的参数，提出了一种基于

4、相电压和相电流的幅值以及相位信息的等效电路模型参数修正方法，通过该方法得到的等效电路模型准确性被大大提高。其次，基于修正后的等效电路模型，本文通过仿真分析从电路成本、母线电压利用率、体积等方面对半桥、全桥、推挽电路进行对比分析，将推挽电路作为本课题中的逆变拓扑形式。利用串联匹配电感为推挽电路提供一定的升压效果，完成了超声电机驱动器的设计。然后，利用推挽式驱动器和上位机完成了超声电机驱动控制平台的搭建，在该平台下进行了超声电机的调速特性实验和温漂特性实验。基于对相电流、导纳模、导纳角的特点和变化趋势的分析，提出一种基于导纳模跟踪的温漂补偿方法，实现了超声电机的稳速运行。当超

5、声电机工作在谐振频率和反谐振频率之间时，调幅调速线性度好，但是在低速时存在较大的死区，改变两相电压的相位差可以对该死区进行补偿。提出一种基于调幅和调相的复合控制策略，实现了对一定幅值和频率速度指令的跟踪。最后，通过设计步进响应实验验证了超声电机步进特性的重复性以及两相电机特性的差异，证明了当超声电机做步进运动时步距脉冲数不会随温漂特性的影响而发生改变。通过合理地设置PWM脉冲间隔和脉冲数，实现了超声电机开环位置步进控制。关键词：超声电机；等效电路模型；调速特性；温漂特性；步进控制-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractUltrasonicmotorshavea

6、ttractedwideattentionduetotheircharacteristicsoflowspeedandhightorque,quickstart-stopresponse,andnoelectromagneticinterference.Differentfromthetraditionalelectromagneticmotor,theultrasonicmotorutilizestheinversepiezoelectriceffectofthepiezoelectricceramictoconverttheelectricalenergyintoth

7、emechanicalenergy,andthecontactfrictionofthestatorandtherotordrivestherotortorotate.Thisprocessleadstotheaccumulationofheatandchangestheoperatingcharacteristicsofthemotor.Inaddition,therearestilldeadzonesinthespeedregulatingcharacteristicsofultrasonicmotors.Theexist