超声波电机运动控制理论与技术

前言

第1章 绪论

1.1 超声波电机驱动控制技术的发展

1.1.1 超声波电机系统建模的研究

1.1.2 超声波电机的运动控制策略

1.2 本书的内容安排

参考文献

第2章 超声波电机驱动控制电路

2.1 超声波电机低成本推挽式驱动电路

2.2 可调频、调幅、调相的超声波电机控制电路

2.3 具有正反转不对称补偿的超声波电机闭环控制电路

2.3.1 基于VCO的超声波电机控制电路

2.3.2 电机定子振幅闭环控制与正反转不对称补偿

2.4 基于DSP的驱动控制电路设计

2.4.1 基于DSP的驱动控制电路设计

2.4.2 基于DSP的对称PWM信号产生方法

2.5 基于对称PWM控制信号发生器的超声波电机驱动控制电路

2.5.1 对称PWM控制信号发生器工作原理

2.5.2 PWM信号发生器控制参数的设置

2.5.3 基于CPLD的对称PWM控制信号发生器

2.5.4 基于CPLD的DSP多SPI端口通信设计与实现

2.6 基于DDS的超声波电机驱动控制电路

2.6.1 系统功能分析和结构设计

2.6.2 基于CPLD的DDS信号发生器设计与实现

2.6.3 DDS中ROM分时复用的实现

2.6.4 低通滤波器设计与实现

2.6.5 用于超声波电机驱动的DDS信号发生器误差分析

2.6.6 基于DDS的对称PWM信号产生方法

2.6.7 DSP对DDS信号发生器的控制

2.7 基于相移PWM的超声波电机H桥驱动控制电路

2.7.1 H桥相移PWM控制方法

2.7.2 低成本相移PWM控制信号发生器

2.7.3 基于CPLD的相移PWM控制信号发生器

2.7.4 H桥控制电路设计与实现

2.7.5 H桥相移PWM电路与推挽式电路对比分析

2.8 超声波电机谐振驱动电路

2.8.1 行波超声波电机谐振驱动电路的仿真研究

2.8.2 行波超声波电机谐振驱动电路的实验分析

2.9 行波超声波电机驱动电路非线性研究

2.9.1 驱动超声波电机的推挽式变换器工作过程分析

2.9.2 超声波电机串联电感匹配电路研究

参考文献

第3章 两相行波超声波电机驱动控制系统的建模

3.1 超声波电机驱动控制系统的建模与仿真

3.1.1 环形行波超声波电机的建模与仿真

3.1.2 超声波电机驱动控制系统建模与仿真

3.1.3 采用神经网络进行辨识建模与仿真的展望

3.2 两相行波超声波电机转速特性的仿真计算与神经网络建模

3.2.1 压电陶瓷与定子系统的振动模型

3.2.2 定、转子接触摩擦模型

3.2.3 超声波电机的转速特性

3.2.4 超声波电机速度特性的神经网络模型

3.3 两相行波超声波电机等效电路模型及其参数辨识

3.3.1 超声波电机等效电路模型

3.3.2 超声波电机等效电路的谐振特性

3.3.3 基于导纳圆的等效电路参数近似计算

3.3.4 基于L-M法的等效电路参数辨识

3.4 两相行波超声波电机频率一转速控制的阶跃响应建模

3.4.1 数据测试实验设计

3.4.2 基于阶跃响应的超声波电机模型辨识

3.5 、两相行波超声波电机频率一转速控制的动态辨识建模

3.5.1 数据测试实验设计

3.5.2 超声波电机频率一转速控制模型辨识

3.5.3 频率一转速控制模型参数时变的模型表述

3.6 两相行波超声波电机电压幅值一转速控制的辨识建模

第4章 采用推挽驱动的超声波电机运动控制策略研究

第5章 采用H桥驱动的超声波电机运动控制策略研究

第6章 超声波电机混沌运行分析与控制2100433B

《超声波电机运动控制理论与技术》是作者课题组近年研究工作的总结，阐述了超声波电机运动控制理论及具体装置的设计方法与实现技术，反映了超声波电机运动控制领域的最新进展。内容丰富，深入浅出，主要包括超声波电机驱动控制电路设计、系统建模方法与仿真技术、运动控制理论与实现技术等。书中给出了多种超声波电机新型驱动控制电路的电路图及详细设计方法，分析了超声波电机系统的控制非线性问题，论述了适合于控制应用的超声波电机运动控制系统建模方法，细致研究了多种针对超声波电机运行特点的运动控制策略。《超声波电机运动控制理论与技术》作为国内专题讨论超声波电机运动控制的第一本专著，既是一部科研成果专著，又注重理论联系实际。不仅希望为超声波电机运动控制系统提供新的有效控制手段，而且希望能在理论研究与工程应用上给读者有所启发与帮助。

超声波电机的优良特性使其在微型机器人的驱动控制中得到广泛的应用。由于受其摩擦驱动机理的限制，超声波电机的能量转换效率低，这严重限制了它在许多有限能量场合中的应用，如密封恶劣环境中工作的微型机器人。因此，研究振动能量采集与回馈的方法将超声波电机的振动能量回收转换成电能，并定期向密封恶劣环境中工作的微型机器人提供电能。本项目将探索研究能量回馈型超声波电机的构造理论与关键技术，并研制出至少一种能量回馈型超声波电机样机。研究内容包括：（1）能量回馈型超声波电机的工作机理与关键结构设计；（2）能量回馈型超声波电机的理论模型、设计方法；（3）超声波电机能量转换系统与储能系统耦合动力学行为；（4）能量回馈型超声波电机的驱动与控制特性；（5）能量回馈型超声波电机的制备科学与综合试验。本项目目标是研制集驱动与发电一体化的高效节能型超声波电机，为微型机器人在密封恶劣环境中的持续稳定工作

能量回馈型超声波电机是一种集驱动与能量采集功能于一体的新型超声波电机，可以解决现有驱动器件自供电问题，但有诸多科学问题值得探索。为此开展了以下研究：能量回馈型超声波电机的工作机理与关键结构设计；电机理论模型与设计方法；电机能量采集系统模型与转换拓扑电路；电机驱动与控制特性；电机制备科学与综合试验。 1、 提出了一种改进的压电陶瓷极化分区形式，设计了一体式和分体式两种能量回馈型超声波电机结构，建立了两种电机定子结构的有限元模型，优化设计并分析了定子参数和采集区负载电阻对其频率特性、振动特性以及电特性的影响。 2、 考虑定子结构刚度不对称性，提出了电机定子等效双模机械振动模型；建立了电机定转子接触面力传递模型及其修正；利用修正后的Hamilton原理及粘弹性接触理论建立了电机动力学模型；基于正压电效应和弯曲振动理论，首次建立了电机能量采集数学模型；分析了驱动电压、驱动频率、预压力、负载力矩以及采集区负载电阻等对电机振动特性、机械特性和电输出特性的影响，形成了电机结构与能量优化设计理论。 3、 提出了电机能量采集系统的新型机电耦合等效电路模型，首次给出了能量采集系统的能量流图，分析了不同接口拓扑电路下的系统能量组成，建立了系统电荷-电压轨迹图。形成了标准整流滤波(SIC)、同步开关电感(SSHI)和能量自给同步开关电感(SP-SSSHI)能量采集转换拓扑电路技术；揭示了拓扑电路与采集系统之间多时间尺度非线性耦合动力学行为以及作用机制。 4、 提出了一种基于模糊PID的在线识别电机控制策略，具有误差小、计算量小和易于实现等特点，速度误差在3%以内。形成了基于555振荡技术、DSP2407 和DSP2808处理器的三种驱动控制电源技术。研制了两种能量回馈型超声波电机样机合计6套，搭建了电机性能测试平台，开展了电机综合性能实验研究，结果表明电机性能达到了设计指标要求。 5、 开展了压电能量采集器的关键理论与技术研究，形成了振动能量采集器的优化设计方法。此外，开展了两种新型超声波电机研究。 2100433B

对于某些低功率应用，内在控制简单，微电机及驱动器、高密度转矩步进系统构成了伺服电机可行的选择。

步进是唯一可以在开环情况下运行，而不需位置反馈的运动控制方法。

基于步进的运动系统可以达到0.75千瓦（1马力）的功率，但对大多数应用来说，都是在较低输出功率中运行的。大批厂商关注于这个市场。

Baldor电气的实时运动控制器NextMovee100，可以为16个轴进行插值，并且最多可以管理连接到以太网Powerlink上的240个轴。这些轴处理简单的点对点运动、引导序列、点动控制，以及与步进（伺服）运动系统相关的扭矩需求。