一种圆柱杆式超声电机驱动器的研究

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超声波电机(Ultrasonic Motor,简称USM)是上世纪八十年代发展起来的一种新型电动机,相比传统的电磁电机具有本质的区别。电磁电机主要通过磁极和绕组依靠电磁能量的转换将电能转换为机械能,而超声电机则利用压电材料的逆压电效应将电能转换为机械能。超声电机的研究主要起步于上世纪八十年代,经过三十多年的发展到目前为止已经取得了长足的进步。由于其独特的工作原理和特点,使其拥有普通电磁电机所不具备的优良的特性。在美国、日本等发达国家它已经被广泛应用于微型机械、机器人、精密仪器、照相机等场合并有着更为广泛的应用发展空间。到目前为止,超声电机已经发展成为种类繁多的一种新型电机,现在对其还没有统一、系统的分类。从不同的角度可以将超声电机进行不同的分类。超声波电动机依据形成椭圆运动的方式,被分成驻波型和行波型。相比于行波型超声电机驻波超声电机的最大缺点是磨损较为严重,使用寿命短。由于行波型超声电机能够极大程度的改善以上缺点使得行波型超声电机在世界各国得到了更为迅猛的发展。考虑到超声电机小型化和大力矩的两个主要发展方向并且在参考大量国内外文献以及取得的成果的基础上发现目前的超声电机驱动器还不尽理想,进而影响超声电机的使用性能。为此,本文以圆柱杆式双转子行波超声波电动机为研究对象,主要对其驱动器进行研究以便使超声电机能够最大程度的发挥其独特的性能。本文开展的研究工作和取得的成果如下:(1)首先对超声波电机的研究背景和意义做简单的回顾。其次主要对其分类、特点以及存在的问题做简单的介绍。(2)首先介绍压电陶瓷的一些相关基础理论知识。其次,建立杆式超声电机的数学模型。(3)参考了国内外相关文献并对比了目前常见的行波超声电机驱动器,发现目前的驱动器尚有一些缺陷以至于影响超声电机性能最大限度的发挥。本文主要基于TI公司生产的UCC3895芯片设计了一款行波超声电机驱动器,使得驱动电路得到了大大简化,并且提高了运行的稳定性等。(4)超声电机一般在100V以上的高频信号的驱动下才能运行,故还需要设计高频变压器。由于超声电机总体呈现容性,故应对其进行电感匹配,以改善超声电机的运行性能。(5)对所设计电路进行仿真实验,并结合实验室具体条件完成样机驱动实验并对比仿真结果和实验结果。本课题根据所设计的超声波电机驱动器制作出了实物并进行了相应的仿真和实验。通过具体的实验发现,本课题所设计的超声波电机驱动器可以对本实验室原有的超声波电机进行驱动并达到了相对良好的运行状态符合最初的设计要求。
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