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旋转型行波超声电机等效电路模型及驱动器的研究

作　者: 颜佳佳
导　师: 阮新波
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 旋转型行波超声电机等效电路模型压电陶瓷定子振动柔性转子驱动器设计软开关
分类号: TM359.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

旋转型行波超声电机具有体积小、低速大转矩、无电磁干扰等优点,在精密仪器仪表、航天、医疗、机器人等高新技术领域中具有广阔的应用前景。利用等效电路建模是研究超声电机一种非常有效的方法。但目前大多数的等效电路模型都是仅针对电机定子的,没有综合考虑电机压电耦合效应以及定、转子间的摩擦耦合情况,因此并不可靠,也不能为电机驱动电路的设计提供依据,本文提出一种超声电机完整的等效电路模型,使其能够正确反映电机的动力响应特性并指导电机驱动电路的设计。本文在详细分析定子压电陶瓷激振和定、转子间摩擦传动过程的基础上,分别推导定、转子的运动Lagrange方程及压电陶瓷电流方程,利用机电类比建立完整的超声电机等效电路模型。该模型能够反映压电陶瓷的逆压电效应及介电特性,定、转子的机械运动特性和摩擦接触特性,具有明确的物理意义,能够反映整个电机系统的功率流动情况。参数辨识是应用等效电路模型的一个重要方面,本文提出了获取模型中各参数的方法,即首先测量单定子的导纳以获得模型中定子部分相关参数,然后由摩擦层和转子材料特性参数估算模型中相关元件的值,并对模型进行简化,最后计算电机输出功率和摩擦损耗,并进行修正。这种参数辨识方法保证了等效电路模型的准确性。在等效模型基础上,设计驱动电路中的参数,包括变压器匝比和谐振电感的值,并进行实验验证,实验结果证明了等效电路模型及参数辨识方法的正确性和有效性。在现有的超声电机驱动电路中,开关管工作在硬开关状态,存在很大的电流尖峰。本文提出一种改进的驱动电路拓扑,在驱动变压器原边并联一个电感,使驱动电路逆变桥的负载性质由容性转变为感性,实现开关管的零电压开关,可以消除其电流尖峰,提高驱动电路的效率。该外并电感可用变压器的激磁电感代替,因此实现方法简单。构建电机的速度闭环控制系统,采用PI控制,通过调节驱动频率来改变电机转速。实现不同负载转矩情况下电机的闭环调速控制,明显改善电机的机械特性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-14
第一章绪论  14-23
  1.1 超声电机发展简史  14-15
  1.2 超声电机的特点、应用及分类  15-17
  1.3 旋转型行波超声电机  17-21
    1.3.1 基本原理  17-18
    1.3.2 数学模型  18-20
    1.3.3 驱动控制技术  20-21
  1.4 本文研究意义及研究内容  21-23
第二章超声电机的工作原理  23-37
  2.1 超声电机的运行原理  23
  2.2 定子中行波的产生及其表面质点运动分析  23-28
    2.2.1 定子中行波产生的条件  23-25
    2.2.2 定子表面质点的三维运动分析  25-28
  2.3 定子中的应力和应变  28-35
    2.3.1 压电效应和压电陶瓷的极化及配置  28-30
    2.3.2 压电方程  30-33
    2.3.3 基于薄板振动的定子应力和应变分析  33-35
  2.4 定、转子的动力传递机理  35-36
  2.5 本章小结  36-37
第三章旋转型行波超声电机的等效电路模型  37-58
  3.1 引言  37
  3.2 定子等效电路模型  37-49
    3.2.1 定子的振动Lagrange 方程  37-40
    3.2.2 定子所受的界面接触模态力F_s  40-45
    3.2.3 流过定子压电陶瓷的电流  45-47
    3.2.4 定子导纳及其等效电路  47-49
  3.3 转子等效电路模型  49-56
    3.3.1 转子的运动Lagerange 方程  49-54
    3.3.2 转子所受外界作用力F_r  54-55
    3.3.3 转子等效电路  55-56
  3.4 超声电机的等效电路模型  56-57
  3.5 本章小结  57-58
第四章等效电路模型的参数辨识及其简化  58-71
  4.1 引言  58
  4.2 单定子等效电路中的参数辨识  58-61
  4.3 电机等效电路模型的简化  61-67
    4.3.1 C_F 和R_F 支路的简化  62-63
    4.3.2 R_(m2)、L_(m2)、C_(m2)、Capplied 和R_L 支路的简化  63-66
    4.3.3 简化的超声电机等效电路模型  66-67
  4.4 简化等效电路的参数辨识  67-70
    4.4.1 R_F 和R_L 的辨识  67-69
    4.4.2 实验结果和模型计算结果  69-70
  4.5 本章小结  70-71
第五章超声电机驱动电路的设计  71-88
  5.1 超声电机驱动电路拓扑及参数设计  71-79
    5.1.1 驱动电路的拓扑选择  71-72
    5.1.2 驱动电路的参数设计  72-77
    5.1.3 仿真和实验验证  77-79
  5.2 驱动电路的改进  79-86
    5.2.1 容性负载对驱动电路的影响  79-80
    5.2.2 驱动电路的改进  80-82
    5.2.3 并联电感大小的选取  82-83
    4.2.4 实验结果  83-86
  5.3 超声电机的速度闭环  86-87
  5.4 本章小结  87-88
第六章结束语  88-90
  6.1 本文的主要工作  88-89
  6.2 下一步要做的工作  89-90
参考文献  90-94
致谢  94-95
在学期间的研究成果及发表的学术论文  95-96
附录  96-99

旋转型行波超声电机等效电路模型及驱动器的研究

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