基于同步箝位控制與周期機(jī)械波合成的壓電馬達(dá)研究.pdf

1、壓電馬達(dá)廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療及其它精密儀器等領(lǐng)域，但其仍然存在效率低、磨損嚴(yán)重等問(wèn)題。為了有效地解決這些問(wèn)題，提高壓電馬達(dá)的綜合性能，使壓電馬達(dá)在力、速度、效率等方面結(jié)合得更好，以及提高滑動(dòng)摩擦耦合型壓電馬達(dá)的使用壽命，論文首次提出一種同步箝位控制與周期機(jī)械波合成的壓電馬達(dá)研究方法。論文的主要工作成果和結(jié)論如下:
　　 目前，電子開關(guān)的使用已經(jīng)相當(dāng)頻繁，但是將機(jī)械同步箝位開關(guān)應(yīng)用于壓電振子的運(yùn)動(dòng)控制從而產(chǎn)生定向位移，這種

2、驅(qū)動(dòng)方式在壓電馬達(dá)領(lǐng)域尚屬首例。該控制原理啟發(fā)于傳統(tǒng)電學(xué)原件可控硅及其在交流電驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)中的應(yīng)用，類比電學(xué)系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的相似性，抽象出同步箝位控制壓電馬達(dá)的機(jī)械控制系統(tǒng)模型，建立了壓電振子的動(dòng)力學(xué)模型。同步箝位控制原理結(jié)合了壓電超聲馬達(dá)的諧振驅(qū)動(dòng)和尺蠖馬達(dá)的控制機(jī)理兩個(gè)特點(diǎn)，克服了兩者的缺點(diǎn):壓電超聲馬達(dá)工作過(guò)程中存在滑動(dòng)摩擦和尺蠖馬達(dá)準(zhǔn)靜態(tài)工作頻率較低。
　　 根據(jù)同步箝位控制壓電馬達(dá)的機(jī)械控制系統(tǒng)及動(dòng)力學(xué)模型，詳細(xì)闡述

3、和分析了該類型馬達(dá)的具體工作過(guò)程，并給出了空載和帶載兩種情況下，壓電馬達(dá)每周期內(nèi)的速度、位移、箝位時(shí)間點(diǎn)以及步距的表達(dá)式。理論研究了壓電馬達(dá)的性能與驅(qū)動(dòng)頻率、驅(qū)動(dòng)振幅、箝位力等參數(shù)之間的關(guān)系，同時(shí)指出了驅(qū)動(dòng)信號(hào)與箝位信號(hào)之間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系對(duì)馬達(dá)性能的影響。
　　 采用有限元仿真分析法確定馬達(dá)的結(jié)構(gòu)尺寸，研制了馬達(dá)樣機(jī)并進(jìn)行了性能測(cè)試與分析。同步箝位控制型壓電馬達(dá)的無(wú)負(fù)載步距是5μm，負(fù)載能力5N。負(fù)載是0.5N時(shí)速度可達(dá)8.2

4、mm/s。當(dāng)負(fù)載是2N時(shí)馬達(dá)的凈效率為18.5％，扣除壓電振子在空氣中無(wú)效損耗后，總效率高達(dá)72.5％。實(shí)驗(yàn)證明該馬達(dá)具有良好的綜合性能，使壓電馬達(dá)在力、速度、效率方面的綜合性能得到提高，初步解決滑動(dòng)摩擦耦合型壓電馬達(dá)使用壽命受限的問(wèn)題。
　　 在任意周期波合成型壓電馬達(dá)的理論研究中，首次提出了基于多級(jí)音叉結(jié)構(gòu)的任意周期機(jī)械波波形合成方法，波形合成不受階數(shù)和頻率比限制，解決了高次諧波匹配階數(shù)受限（已有方法不超過(guò)三階）以及匹配過(guò)程

5、復(fù)雜的瓶頸問(wèn)題。系統(tǒng)分析了波形合成的理論基礎(chǔ)，研究了波形合成的特點(diǎn)及應(yīng)用，詳細(xì)介紹了基于多級(jí)音叉頻率耦合過(guò)程。針對(duì)多級(jí)音叉本身的特點(diǎn)，結(jié)合有限元分析方法設(shè)計(jì)并研制出三級(jí)音叉模型。第一、二、三級(jí)音叉的反向共振頻率實(shí)測(cè)值比為1∶2.00∶2.99，頻率耦合的較好。在幅值相同的激振條件下，三個(gè)共振模態(tài)對(duì)應(yīng)機(jī)械品質(zhì)因數(shù)(Q值)分別是5617，4883和3515。基于三級(jí)音叉結(jié)構(gòu)，首次合成了近似鋸齒波、方波、正弦半波整流和正弦全波整流四種典型諧振