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《复合材料超声直线微电机速度控制建模及其驱动》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、天津大学学报第35卷第2期2002年3月JOURNALOFTIANJINUNIVERSITYVol.35No.2Mar.2002X复合材料超声直线微电机速度控制建模及其驱动栗大超,曾周末,赵伯雷,靳世久(天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室,天津300072)摘要:从复合材料微观弹性力学的角度,提出了新型各向异性材料超声直线微电机的速度控制模型,从理论上探讨了驱动控制策略,构建了驱动控制系统,并分析了实验结果,为复合材料超声直线微电机在精密定位系统中的应用奠定了基础1关键词:各向异性;超声直
2、线微电机;速度控制模型;驱动系统;精密定位中图分类号:TM133文献标识码:A文章编号:049322137(2002)0220179204超声微电机具有能量密度高,大转矩,低噪声,动1)阶振动模态下工作1态响应快,无电磁干扰,结构简单紧凑,可精确定位和直接驱动负载等优良性能,是MEMS领域中一个具有巨大应用潜力的研究课题1利用复合材料CFRP的各向异性产生倾斜振动,[1]能极大地简化电机结构,具有开创性的意义1[2～3]目前各国学者对超声直线微电机的研究主要集中在两个方面:一是探索超声直线微电机
3、更精密图1各向异性超声直线微电机的基本结构的控制方式,使其在精确定位的场合工作能够更加可Fig.1Basicstructureofanisotropicalcomposite靠;二是提高超声直线微电机的驱动能力,扩展其应用ultrasoniclinearmicromotor领域1由于超声微电机具非线性,故超声微电机的测试2速度控制建模与控制技术是超声微电机能否被推广应用的关键技术1因此,探讨超声直线微电机的速度控制建模和驱2.1速度控制模型动系统设计对于超声直线微电机的研究、开发和应用利用各向异
4、性材料微观弹性力学对复合材料都具有重要意义1CFRP进行分析,建立了CFRP的本构方程(即应力应变关系)、运动微分方程、几何方程和边界条件等,在1基本结构与工作原理此基础上,对CFRP进行振动解析,求解出CFRP的振动位移方程为复合材料超声直线电机由两块相同的CFRP和一L1u+L2v=0(1)片压电晶体(PZT)构成,如图1所示1CFRP中碳纤维L2v+L3v=-q(x,y,t)单向平行排列,纤维方向与底面成A角,对PZT施加交由于水平振动位移分量直接关系到电机的运动流电压,激励CFRP产生振
5、动,由于CFRP的各向异速度,因此要建立电机的速度控制模型必须求出水平性,将形成一个偏离垂直方向的倾斜振动,这样随着振振动分量的振幅,为此将(1)作为关于u的偏微分方程动体往复振动,电机会一直前进形成直线运动1通过得到理论分析和实验验证表明,只有当m和n同为奇数时,2才会产生导致电机直线运动的倾斜振动1当m=n=L1õL3õu-L2õu=L2õq(2)1时,固有频率最低,振型最简单,因此电机选择在(1,其中q=V0d33öhpõcosXt,其解的形式为X收稿日期:20012072101基金项目:
6、教育部博士点基金资助课题(1999005607)1作者简介:栗大超(1977-),男,博士生1·180·天津大学学报2002年第35卷第2期AXXmncosXt和工作频率两种方式实现1u=4222(3)16PQ(X-Xmn)改变电压幅度的方法主要优点是被控制量速度式(3)代入式(2)得与控制电压幅度之间呈线性关系1这在实际应用上非V0d33õb(Q1+2Q2+Q3)õXXmncosXtu=4222(4)常方便,但从实验中观察,这种方式的缺点主要在于,16PhpõQ(X-Xmn)当电机速度降到较低
7、时,压电陶瓷难以可靠起振,造成考虑到CFRP的粘性阻尼,上式变为盲区,即电机运转不连续1u=[V0d33õb(Q1+2Q2+Q3)õXXmncos(Xt-422222无论X对XMN是正向或负向偏离都会导致速度变U)]ö{16PhpõQ[(X-Xmn)+NXXmn]}(5)小,这说明变频控制方式在激励电压振幅一定的情况其中U为与阻尼比N及频率X有关的相位差,因此水平下有一个上限速度1另外从式中可以看出,频率的改振动分量振幅为变与速度的变化并不是呈线性关系,但这种方法电机V0d33õb(Q1+2Q2
8、+Q3)õXXmnU=16P4h22222(6)响应快,没有盲区1põQ[(X-Xmn)+NXXmn]令m=n=1,则对CFRP的底面任一顶点有基于电机速度控制模型及速度控制方式的分析,V0d33õb(Q1+2Q2+Q3)õXX11可将调压与变频结合起来,电压始终在不低于盲区电U11=422222(7)16PhpõQ[(X-X11)+NXX11]压阈值的范围内变化,要获得低速,需通过变频的方法若电机与导轨之间没有相对滑动,则U11就是底进行1另外CFRP的弹性系数会随温度变化而变化,面顶点在半周
