模态不对称双振子夹持型两自由度超声波电机及其伺服控制的研究

A multi-DOF ultrasonic motor can use only one motor to achieved multi-DOF movement. In this application form, a novel 2-DOF ultrasonic motor with two asymmetric-mode cylinder vibrators clamped is proposed to study its structure and servo control. The motor is composed by two Langevin vibrators and one sphere. The output torque can be executed by motor sphere rotor or vibrators' frame. The vibration bodies are made up of a bending vibrator and a longitudinal bending vibrator. In the same structures with different vibration modes, this motor can operate in 2-DOF. This project is presented to improve the 2-DOF ultrasonic motor output power, and study the motor's structural dynamics model in multi-vibrator working method. The structural optimization, support structure design, and pre-press device study are to be processed to improve the motor performance. The contact friction model between the stator and rotor is to be considered in this project with cylindrical vibrators to improve lifetime and stability of the motor. A MIMO motor control based on the dynamic model and friction model will be established to carry out servo control, which will lay a theoretial and technical foundation on tracking system.

多自由度超声波电机只需要一个电机就可以实现多自由度的运动，本申请提出一种模态不对称双振子夹持型两自由度超声波电机，进行大力矩两自由度超声波电机及其伺服控制的研究。该电机由两个兰杰文形式的振子和一个球构成，电机可以由球转子输出力矩，也可以固定球由振子外框输出力矩。电机由弯曲振子和弯纵振子构成驱动体，振子结构相同、工作模态不同，能够使在空间内进行两个自由度运动。本项目以提高两自由度超声波电机输出功率为目标，研究其多振子协同工作时电机结构动力学模型；分别对电机两个振子进行结构优化，研究支撑结构及加压装置，提高电机性能；进一步研究电机定、转子间的摩擦接触，研究考虑圆柱振子剪切应变时的摩擦模型，提高电机的寿命和稳定性；在动力学模型和摩擦模型的基础上建立一个多输入多输出的电机控制模型，进行电机的伺服控制研究，为该电机在瞄准跟踪系统上应用奠定理论和技术基础。

本项目提出一种模态不对称双振子夹持型两自由度超声波电机，进行大力矩两自由度超声波电机及其伺服控制的研究，该电机由两个兰杰文形式的振子和一个球构成，电机可以由球转子输出力矩。电机由弯曲振子和弯纵振子构成驱动体，振子结构相同、工作模态不同，能够使在空间内进行两个自由度运动。利用有限元分析方法，项目进行了电机圆柱定子结构优化设计，讨论了模态简并方法对电机共振模态的影响。针对加工出的电机的不对称导致两相频率不同的问题，提出了一种利用有限元法调整电机结构，并确定周向和轴向切削位置及切削深度，进而有效提升电机工作性能的方法。项目采用有限元方法，研究柱体弯曲型超声波电机的接触模型。对不同预压力下电机的机械特性进行仿真，得出了预压力越大，负载能力越强，但空载转速越小的结论。由于定子表面的摩擦材料的作用，转子下表面的质点始终与定子相接触。项目从Hamilton变分原理出发，推导机电耦合系统圆柱定子动力学模型，并对参数进行仿真计算；采用赫兹接触理论研究定转子的接触面模型，分析转子受力情况并推导运动学方程，利用Matlab/Simulink对电机运行特性曲线进行仿真，同时针对仿真结果对影响电机运行特性的因素进行了探讨分析。根据实际电机参数，计算出电机仿真模型的参数，给出了仿真得到的行波型超声波电机的起动过程，并分析了预压力和驱动频率对电机性能的影响。最后，根据所设计的电机结构尺寸制作样机，并对样机进行了阻抗-频率特性测试、电机的输出性能测试，测试结果表明：两个定子的两相的阻抗-频率特性曲线具备良好的一致性。电机转子绕定子轴线旋转时的堵转力矩达到82mNm，空载转速为43.5rpm；在轴线所在面上旋转时的堵转力矩为56mNm，空载转速25.6rpm。实验测试结果表明，改进后的电机克服了原有样机存在的问题，输出性能得到明显改善。