压电平面作动器/电机设计优化理论及其精密驱动控制技术研究

Based on the excellent properties e.g. being of high power density, small size, high precision of piezoelectric planar motor, so as to meet needs of high performance planar motors required form engineering, this project is about to study the design theory, manufacturing technology and drive control technology of piezoelectric planar motor. It is about to put forward several novel planar motor principles and their structures, optimize the dynamic characteristics of the motors, and design the motors. It emphases on building electromechanical motor models to describe relations between the motors’ vibration with their stator sizes, masses, flexibilities, electrical parameters, establishing contact friction models to illustrate relations between the motors running characteristics with pre-pressure, stator vibration parameters, and integrating the electromechanical model and friction model to achieve overall characteristics descriptions for the motors, so as to provide some fundamentals for motor design and analysis. It also tries to study the manufacturing technology of motors as well, makes motor prototypes, and do some research on how to correct working vibration model shapes and separate high amplitude disturbance modes from working modes, so as to improve working performance of the motors. Moreover, it will develop driving circuits, make driving power supply for the motors, and implement intelligent control of the motors as well. In a word, this project forms systematic design theory, optimization method and integration technology for piezoelectric planar motors, launches several liberal intellectual motor prototypes, finds out available control laws for rapid and precise positioning control for the motors, refines out key technologies and solves some basic problems about these technologies. It lays theoretical and technical foundations for piezoelectric planar motors’ applications.

基于压电平面作动器/电机快速精密运动、大行程动力特点，针对科学与工程对它的广泛需求，对平面电机设计制造、驱动控制技术进行研究。探索新型平面电机运动原理及驱动机理，研究其动力学设计与优化方法；建立机电耦合模型以明确定子振动特性与其几何拓扑、结构尺度、质量配置、柔度及电激参数间关系；建立摩擦传输模型以表征定子振动、定/动子接触状态、预压力等对电机运行特性的影响；融合上述分析模型而形成对电机整机特性的描述，为电机正/逆设计提供指导。研究电机精密制造技术并制作出其原型样机。探索电机工作模态修正及干扰模态分离技术以改善电机性能；研制小型高效驱动器以实现电机精密驱动，并探索电机智能精密快速运动控制方法。项目初步形成压电平面电机设计理论体系、优化方法及集成技术，推出系列自主知识产权新电机，探明平面电机精密快速定位控制律，提炼出平面电机设计制造关键技术并解决其基础科学问题，为平面电机应用奠定一定基础。

压电平面作动器/电机具有定位精度高、动力密度大、响应快和控制性能好的诸多特点。针对大集成度IC芯片精密制造、生医操作等高精尖技术领域对高精密平面运动驱动提出的广泛需求，本项目对压电平面作动器/电机进行了系统深入的研究。项目提出了基于H构形、十字形、复十字形、双H叉合式、口齿形、框架板、叠层八杆式等多种弹性构形的超声谐振驱动的全新压电平面作动器/电机及旋转电机运行原理、驱动机理及其压电超声换能动力学结构；建立了压电平面作动器/电机的机电耦合动力学分析模型，揭示了电机的定子工作模态振动与电机的结构拓扑、几何尺度、质量分布、柔度配置、电学激振参数之间关系；建立了压电平面作动器/电机的摩擦驱动界面传输过程分析模型，揭示了定子的多相工作模态谐振、界面的传输行为、定子的夹持固定、预压力的施加等对电机运行特性的影响；建立了平面作动器/电机的整机分析模型，揭示了整机系统的电学输入与机械输出之间的关系，求得了平面电机的调压、调频、调相等运动调节特性；建立了电机结构动力学优化数学模型，优化了电机的结构拓扑与尺寸；制作出压电电机的物理样机，进行了振动模态特性试验；探索出定子工作模态修正方法及其干扰模态分离方法；研究了压电电机在高旋转制导弹药平台固定式鸭舵控制系统中的应用，提出了基于压电电机驱动进给机构的制动方式和舵机调速系统。项目提炼出压电平面电机设计的关键技术，并且解决了其中的主要问题，初步形成了压电平面作动器/电机的设计、优化理论体系及相应的技术方法体系。项目组在《电机与控制学报》、《工程设计学报》、《振动测试与诊断》、《压电与声光》、《中国机械工程》等国内外重要学术期刊上发表学术论文15篇，申请和公开国家发明专利7项，获得专利授权7项，培养研究生9名。本项目在较大程度上推进了压电平面电机技术发展。