多自由度球形行波型超聲波電機結構、模型及其控制的研究.pdf

1、多自由度球形超聲波電機有別于電磁型球電機，具有結構緊湊、停電自鎖、抗電磁干擾、低速大力矩和適合直驅(qū)等優(yōu)點，在機器人、精密儀器以及空間機構等領域有較好的應用前景，是近幾年電機領域的一個研究熱點。經(jīng)過近十年的發(fā)展，國內(nèi)外研制了多種形式的多自由度球形超聲波電機，在應用方面也進行了不少探索。在眾多球形超聲波球電機中，行波型球形超聲波電機的實用性最好，其研究意義最大，但迄今為止，對此類電機的研究大都基于實驗和經(jīng)驗。由于多個行波定子的驅(qū)動（一般為3

2、個或4個），定轉(zhuǎn)子間又是空間接觸的，且電機是基于行波定子高頻機械振動和摩擦驅(qū)動的，定轉(zhuǎn)子間的接觸力是動態(tài)變化的，這些因素使其驅(qū)動模型難于確立，進而影響了電機的結構優(yōu)化設計及其驅(qū)動控制策略等研究。另外，多自由度球轉(zhuǎn)子的姿態(tài)檢測及其特性測量也是難點，而我國在此方面的研究更是稀少，要使之實用化必須在上述關鍵技術問題上有所突破。本博士論文在國家863計劃項目和中國空間技術研究院CAST基金資助下，以多自由度球形行波型超聲波電機為研究對象，針對上

3、述問題，進行了以下主要工作，并取得的研究成果有：
　　 1、研究了二自由度球形行波型超聲波電動機的驅(qū)動數(shù)學模型。計算得到了行波定子和球轉(zhuǎn)子接觸面上任一點的摩擦驅(qū)動力（矩）和摩擦阻力（矩），并給出了電機機械特性的計算解析式，分析了各種結構參數(shù)對電機輸出性能的影響，得到了電機主要的優(yōu)化結構參數(shù)。通過樣機試驗分析，證實所提模型的有效性和準確性。同時，針對外緣大傾角的行波定子，根據(jù)定子表面質(zhì)點三維運動理論和定轉(zhuǎn)子接觸機理，采用有限元分析

4、和實驗確定了最佳斜面傾角角度；給出了兩種對心結構，用于解決多定子對單個球轉(zhuǎn)子的同時實現(xiàn)對中和對心的問題。研制的樣機定子直徑為Φ30mm，球轉(zhuǎn)子直徑為Φ45mm，實現(xiàn)最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達0.10N·m，空載轉(zhuǎn)速為90r/min左右。
　　 2、提出了一種基于3個行波定子新型結構的二自由度行波型超聲波電動機，根據(jù)定子、轉(zhuǎn)子空間位姿關系，給出了該種球電機的機械特性計算公式。并以3個壓電振子表面行波波峰點沿定子周向角速度的極小范數(shù)為優(yōu)化目標，

5、分析了此球電機的性能特點，并證明這種優(yōu)化目標手段是一種行之有效的控制策略，發(fā)揮這種具冗余自由度的電機的特點。研制的螺旋彈簧結構可自適應地使各個行波定子與球轉(zhuǎn)子之間壓緊，可克服由3個行波定子的加工及其安裝誤差對電機產(chǎn)生的影響，具有較好的容錯性，且能保證每個定轉(zhuǎn)子接觸圓周之間的預緊力比較均勻一致。研制的樣機定子直徑為Φ30mm，球轉(zhuǎn)子直徑為φ40mm，最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩達到0.12N·m，空載轉(zhuǎn)速為90r/min左右，電機的性能得到了進一步提高。

6、這種電機結構緊湊、體積和重量小，安裝和調(diào)整十分方便，適合產(chǎn)業(yè)化。
　　 3、建立了基于柔性板簧結構的三自由度球形行波型超聲波電機的靜力學模型和驅(qū)動數(shù)學模型。首先，通過有限元分析計算和實驗檢測，得到了螺旋板簧的柔度矩陣。給出了定轉(zhuǎn)子接觸圓周的接觸力表達式，根據(jù)定轉(zhuǎn)子幾何相容關系，得到了球心微位移和螺旋板簧變形量之間的關系。并分析了電機結構參數(shù)對接觸圓周上的力分布影響，重點分析了定轉(zhuǎn)子半徑比和定子中心軸線和水平面間的傾斜角度這兩個參

7、數(shù)對電機性能的影響。在此基礎上，建立了三自由度球形行波型超聲波電機的驅(qū)動數(shù)學模型，分析了電機的空載和堵轉(zhuǎn)狀態(tài)下的電機特性，得到了3個方向上電機的空載轉(zhuǎn)速范圍和堵轉(zhuǎn)力矩范圍。通過所建模型指導了板簧的設計，提出了一種具左右對稱結構的板簧，改進了壓緊效果；提出了電機的預緊力加載機構，克服了現(xiàn)有的機構不能同時調(diào)節(jié)電機預緊力的大小，使多個定子與球轉(zhuǎn)子之間的預緊力不能均勻一致的問題。研制的樣機最大輸出力矩為0.07N·m，最高轉(zhuǎn)速為32r/min，

8、電機尺寸大小為7.2cm×6.3cm×6.3cm，在x和y方向的轉(zhuǎn)動范圍為205°和120°，在z軸方向可以360°任意回轉(zhuǎn)。
　　 4、提出了一種基于機械鼠標原理的球轉(zhuǎn)子姿態(tài)檢測機構，并建立了球電機姿態(tài)控制系統(tǒng)。根據(jù)3個行波定子的二自由度行波型超聲波電機的驅(qū)動模型，提出以3個壓電振子表面行波波峰點沿定子周向角速度的極小范數(shù)為優(yōu)化目標的前饋模型，得到了電機運行角速度矢量與各個定子相位差之間的對應關系。通過反饋球轉(zhuǎn)子姿態(tài)量，結合前

9、饋模型逆運算和PID算法對電機實行姿態(tài)控制，實驗驗證了該控制策略的有效性。
　　 5、研制了多自由度超聲波電機的各類性能測試裝置。提出了速度、力矩、瞬態(tài)特性、單定子驅(qū)動球轉(zhuǎn)子的性能等測量方法及其相應檢測機構。特別地，提出的一種力矩測量機構，能方便地測量單自由度或二自由度超聲波電機輸出力矩；提出了一種基于鼠標原理的速度檢測機構，能方便地測量任意方向的速度。主要的實驗研究包括球電機瞬態(tài)試驗、任意方向速度試驗、電機堵轉(zhuǎn)力矩試驗，驅(qū)動單