行波型旋转超声电机(Travelling-wave Rotary Ultrasonic Motor,TRUM)是超声电机中最为典型的一种,由于相比电磁电机具有无电磁干扰、转矩密度大、低速直驱等优点,从而在一些高精尖等特殊的场合具有广阔的应用空间。然而,由于超声电机是集材料、机械、电气、控制等众多学科于一体,多元理论交叉发展的结晶,诸多关键技术有待深入研究。本论文以TRUM为研究对象,针对电机建模、动态响应以及控制等方面的关键技术开展深入的研究:1.根据TRUM工作机理中的两个能量转换过程以及其中的电气、机械振动和力学原理,提出一种TRUM混合建模的方法:针对“电气-机械振动”的能量关系建立具有电气输入接口的定子等效电路模型;针对“机械振动-输出转矩”的能量关系建立可简化复杂非线性运算的定转子离散接触模型。最终通过合适的接口组合成混合模型。论文还基于该模型,对电机的电气特性、接触特性和机械特性进行了分析研究,并验证了模型的准确性。2.参考电磁电机空间矢量分析的理论,提出TRUM空间矢量分析方法,围绕电机振动模态矢量对电机的电压响应进行分析研究。并通过理论推导结合模型仿真,对响应过程中存在的强耦合性和非线性进行了分析:分别求解了振动模态矢量的零输入响应、阶跃电压和正弦电压的零初态响应,同时结合所提出的混合模型,从模型仿真上对空间矢量的响应过程进行了分析,得出电压、振动模态以及输出转矩之间的关系,印证了理论推导,为控制研究奠定基础。3.论文对传统的电压调幅、调频和调相控制从振动模态空间矢量的角度进行了分析研究,并对电机的本体控制和伺服控制提出相应的控制方法。首先,针对电机本体控制,提出考虑能量利用率、两相电压平衡的方法,并提出通过振动模态观测器实现两相模态协调控制;其次,针对电机伺服控制,提出了矢量离散动态预测控制方法,从而直接控制电机的振动模态,并在接下来的微步控制研究中得以应用;最后,论文还对TRUM的微步控制进行了研究,在分析已有的微步控制方法的同时提出基于岭形函数规划的微步控制策略,并通过振动模态矢量离散动态预测控制方法实现了对规划模态的跟踪,从而实现电机步距角可控的高精度微步控制。4.论文最后介绍了所设计的TRUM全桥控制器,该控制器将DSP与CPLD相结合,实现了一种输出电压幅、频、相易于调节的相移PWM控制逻辑,并针对全桥驱动功率电路中的H桥电路驱动以及高频功率脉冲变压器、匹配电感的结构设计和参数计算给予了说明。最后通过试验对控制器性能及部分控制结果进行验证,获得良好的效果。