超声波电极驱动控制与频率跟踪技术研究

摘要

超声波电机(Ultrasonic Motor)是利用压电陶瓷的逆压电效应获得力矩的新型电机，在精密仪器、汽车、微型机械、机器人、国防军事、航空航天等领域具有广阔的应用前景，是目前机电控制领域的一个研究热点。
　　本文在对行波超声波电机的运行机理、阻抗特性以及匹配技术等进行分析的基础上，研究了超声波电机驱动控制电路的特性。结合国内外超声波电机驱动控制最新技术，以及本文对超声波电机的性能等实验研究的需要，设计了一款基于ARM7的超声波电机驱动控制系统，并利用该系统对行波超声波电机进行了相关的实验研究。
　　研究了行波超声波电机谐振频率随温度变化而变化的规律，设计了相应的实验方案，并进行了频率-温度特性验证实验。实验结果表明，电机谐振频率随温度的升高成线性降低，温度对电机的工作状态影响较大，这一研究为超声波电机的工程实用电路设计奠定了基础。
　　分析了超声波电机瞬态特性、微步进特性理论，针对本文所用电机，设计了合适的实验方案，对电机进行了微步进实验研究。从实验结果可知，该款电机的最小单步波数为4，最小平均步距角为0.0042°。微步进实验研究的结论为超声波电机在精密仪器中的位置定位控制提供了帮助。
　　分析了超声波电机频率跟踪的原理和方法。采用M/T测速方法和PID控制器，实现超声波电机的频率跟踪，达到了超声波电机在连续工作时转速稳定的预期目标。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 超声波电机的发展

1．2．1 超声波电机的国外发展

1．2．2 超声波电机的国内发展

1．3 超声波电机驱动控制技术的发展

1．4 本文主要工作及论文结构安捧

第二章 行波超声波电机及其电学特性

2．1 行波超声波电机的工作原理

2．1．1 行波超声波电机结构

2．1．2 行波超声波电机运动分析

2．2 超声波电机的阻抗特性分析

2．2．1 超声波电机的等效电路图

2．2．2 超声波电机的特征频率

2．3 超声波电机的匹配电路

2．4 本章小结

第三章 超声波电机驱动控制系统设计

3．1 超声波电机驱动控制电路的要求

3．2 系统功能分析及系统组成

3．2．1 系统功能分析

3．2．2 系统组成

3．3 硬件电路设计

3．3．1 基于LPC2124的控制电路设计

3．3．2 驱动电路设计

3．3．3 保护电路

3．4 LPC2124软件设计

3．4．1 软件开发工具

3．4．2 模块化设计

3．4．3 基于LPC2124的PWM方波信号产生

3．5 本章小结

第四章 超声波电机温度特性实验研究

4．1 超声波电机的量度特性理论

4．2 实验方案设计

4．2．1 超声波电机频率-温度关系

4．2．2 对比实验

4．3 实验结果分析

4．4 本章小结

第五章 行波超声波电机微步进特性研究

5．1 超声波电机步进特性的研究情况

5．2 超声波电机的瞬态特性

5．3 微步进的实现方法

5．4 实验平台设计

5．5 实验结果及分析

5．6 本章小结

第六章 超声波电机的频率跟踪控制技术研究

6．1 频率跟踪原理

6．2 频率跟踪方式

6．3 测速方法

6．4 控制算法

6．4．1 PID控制算法

6．4．2 比例控制

6．4．3 PID控制

6．4．4 结果分析

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 本文总结

7．2 创新点

7．3 不足之处及晨望

致谢

参考文献

附录A 研究生在校期间发表学术论文情况