行波超声波电机的动力学模型仿真

合集下载

行波型杆式超声电机的动力学分析与性能仿真

行波型杆式超声电机（以下简称杆式电机）利用了
主要由定子、子、体等组成。定子的下配重块、转壳上
压电陶瓷的纵向振动模式，具有较高的机电转换效率。１８９９年，日本学者Ｋｒａａ提出了第一台杆式电ｕｏｗｓ机Ｊ因为其结构简单，工方便且不涉及陶瓷片的。加
１杆式电机的结构
本文研制的杆式电机基本结构如图１所示。电机
基金项目：国家自然科学基金资助项目（编号：００００，０００２９４５１１６４３）收稿日期：２００７—００修改稿收到日期：０７—０７— ５２０８—讲１８年８９月生
图１杆式电机的结构
图２定子的结构形式和相应的结构参数
维普资讯
振动与冲击
２００８年第２７卷
Ｄ＝ｅ＋ｅＳＥ（８）
示。采用八节点六面体等参单元，将整个定子划分为２４个体单元，６共有４８个节点，２０１４个自由度。取定２子内圆母线方向上编号为ｌ～１１的一组节点在Ｙ方向的位移值构成弯曲振动的振型，描述定子在该平面来内的弯曲振动。
２定子的动力学分析
２１定子机电耦合模型．
考虑到解析法或者半解析法都只能求解假设振型对应的特定模态，里用有限元方法来建立杆式电机这定子的机电耦合模型。有限元方法对不同结构的适用

旋转行波超声电机的冲击动力学模拟及实验

第３４卷第１期
２０１４年２月
振动、测试与诊断
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＶｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ
Ｖｏ１．３４Ｎｏ．１
Ｆｅｂ．２０１４
旋转行波超声电机的冲击动力学模冲击的特点，表现为冲击的
受强大的过载后保持正常的输出性能，将直接决定
摘要
研究了冲击产生的高过载对旋转型行波超声电机结构和性能的影响机理和规律。首先，结合旋转型行波超
声电机的工作机理和结构形式，建立了该型超声电机在冲击载荷下的有限元模型。利用显式算法模拟其在冲击过
结构在特殊使用环境中的耐过载能力及易损伤部件。实验结果表明，紧凑和简单的结构特点使得超声电机本身具有较好的适应大过载环境的工作能力，在直接承８千个重力加速度冲击过载后仍能维持一定的输出特性。
关键词冲击；高过载；旋转行波超声电机；显示算法
中图分类号ＴＭ３５６；ＴＨ１１３
机等）由于内部构成部件的结构和材料等限制，在大
引言
旋转行波超声电机（ｔｒａｖｅｌｉｎｇｗａｖｅｔｙｐｒｅｒｏｔａ —

二自由度行波型超声波电机定子的数学模型与实验研究

径为３０ｍｍ，实现的堵转力矩为１２０ｍＮｍ，空转转速１２ｒ／ａｒｉｎ。该工作为多自由度行波型超声波电机的优化设计、性能提
高奠定了基础。关键词：行波型超声波电机；二自由度；球电机；运行机理；结构设计
ｔｕｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆａｄｊｕｓｔｉｎｇｒａｋｅａｎｇｌｅｓｏｎｉｔｓｏｕｔｅｒｅｄｇｅｗｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｃｏｎｔａｃｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｔａｔｏｒｗａｓｂｕｉｌｔｆｏｒ
动机理和基本结构出发，就电机的结构实现、驱动球转子的最佳定子结构进行了分析，利用所建立的有限元模型进行定子振动的模态分析和共振频率计算，提出了外缘大倾角内缘线接触的行波定子。然后建立定子的接触模型，对其机械性能进行分析。测试结果表明，修正的数学模型更加符合电机的实际运行特性。所研制样机的球转子直径为４５ｍｍ，定子直
振
第３２卷第１４期
动
与
冲
击
Ｖ０ｌ＿３２Ｎｏ．１４２０１３
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＶＩＢＲＡＴＩＯＮＡＮＤＳＨ０ＣＫ
二自由度行波型超声波电机定子的数学模型与实验研究
傅平，沈润杰。，帅光举，郭吉丰，胡锡幸
ＦＪｐ
，ＳＨＥＮＲｕｎ－ｉｆｅ。，ＳＨＵＡＩＧｕａｎｇ－ｊｕ，ＧＵＯＪｉ－ｆｅｎｇ，ＨＵ一ｘｉｎｇ

新型行波直线超声电机的结构与有限元分析

第42卷第3期2022年6月振动、测试与诊断Vol.42No.3Jun.2022 Journal of Vibration，Measurement&Diagnosis新型行波直线超声电机的结构与有限元分析*杨淋1，陈亮1，2，任韦豪1，张蕉蕉1，3，唐思宇4（1.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京，210016）（2.中国科学院微小卫星创新研究院上海，201210）（3.陆军工程大学野战工程学院南京，210007）（4.南京航达超控科技有限公司南京，211100）摘要提出了一种新型行波直线超声电机结构，该电机利用2个固有频率接近的面内弯曲模态叠加形成沿周向传播的行波，从而驱动动子做直线运动。

首先，基于有限元法建立了考虑定、动子三维接触的整机动力学模型，对定子结构尺寸进行设计；其次，通过该模型分析了定、动子之间的接触力传递过程、电机的驱动机理、电机稳定运行时驱动足的椭圆运行轨迹、电机的启停特性以及不同输入参数下电机的输出性能等动力学特性；最后，试制原理样机，搭建实验平台对电机性能进行测试。

研究结果表明：该电机工作原理可行，机械输出性能良好；所建立的有限元模型合理，使用该模型能预测电机的性能，并进一步指导电机的设计及优化。

关键词行波；直线超声电机；有限元法；动力学模型中图分类号TH111；TH122；TH113引言随着20世纪40年代压电陶瓷材料的发现，一系列基于压电陶瓷逆压电效应的压电作动器应运而生［1‑3］。

超声电机作为一种新型作动器，具有结构紧凑、断电自锁、响应速度快和定位精度高等优点，在航空航天、光学仪器和精密定位系统中具有广阔的应用前景［4‑5］。

直线超声电机（linear ultrasonic motors，简写为LUSM）作为超声电机的重要分支，近年来得到了迅速发展。

按照驱动足上椭圆运动轨迹的形成方式，LUSM可分为单模态LUSM［6］和复合模态LUSM［7‑9］。

旋转型行波超声电机网络的性能测试和仿真

０引言
超声电机技术是综合了振动学、摩擦学、电
力电子、自动控制和新材料等众多学科的新技术。
向速度决定，并且和行波的传播方向相反。
其实质是压电陶瓷的逆压电效应产生定子激振，某频率处产生高频的微幅振动，再通过摩在擦将定子的微幅振动转换成转子的回转。这里定子为一圆环形板，其顶端质点为三维的运动轨迹，
能优越和发展迅速。旋转型适合在医疗、航空航天等精密领域中使用。本文介绍了超声电机的工作原理和分类等，着重分析了不同温度下对电机工作频率、机械特性和摩擦材料等的变化情况。旋转型行波超声电机的性能随温度的升高呈下降趋势。关键词：超声电机；旋转型；共振频率；机械特性
超声电机由于其优越的性能，而受到广泛的关注。
超声电机是将电能转换成机械能，利用压电陶瓷
的逆压电效应获取运动和力矩，将材料通过机械
共振和摩擦转换成转子的运动。超声电机具有结构简单、噪声小、不受磁场干扰、效率高和控制性能好等特点，发展非常迅速，前景十分广阔，未来会用在医疗系统和安全系统甚至一些特殊领域。行波超声电机由正交的两组驻波合成，其中定子质点做椭圆形的运动。超声电机可以分为直

超声波电机驱动控制系统建模与仿真

关键词：超声波电机；驱动控制系统；建模；仿真
ＭｏｅｉｇａｍｕｌｔｎｇｆｒＤｒｖｎｎｄＣｏｒｌｎｇＳｔｍｆＵｌｒｏｎｃＭｏｏｓｄｌｎｎｄＳｉａｉｏｉｉｇａｎｔｏｌｙｓｅｏｔａｓｉｉｔｒ
ＹＯＵＸｉｎ —ａｇ，ＳｉｇｚｕａｇｙｎＨＩＪｎ —ｈｏ
（ｅａｎｅｓｙｏｃｅｃｎｅｈｏｏｙｕｙｎ７０３ｈｎ）ＨｎｎＵｉｒｔｆｉｅａｄＴｃｎｌ，Ｌｏａｇ４１０，ＣｉａｖｉＳｎｇ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｈｓｐａｅ，ｔｅｗｏｋｎｒｎｉｌｆｕｔａｏｉｔｒｓｉｔｏｕｅｉｓｌＴｎｔｅｎｔｉｐｒｈｒｉｇｐｃｐｅｏｌｒｓｎｃｍｏｏｓｉｎｒｄｃｄｆｒｔｉｙ．ｈｅｈｍａｎｍｅｈｄｅｅｏｅｎｍｏｅｉｎｉｌｔｎｏｈｒｖｎｎｏｔｏｌｎｙｔｍｆｕｔａｏｉｉｔｏｓｄｖｌｐｄｉｄｌｎｇａｄｓｍｕａｉｇｆｒｔｅｄｉｇａｄｃｎｒｌｇｓｓｅｏｌｓｎｃｉｉｒｍｏｏｓａｅｒｖｅｄ．Ｆｉａｌｔｒｒｅｉｗｅｎｌｙ，ｔｅｄｖｌｐｎｒｎｓｉｈｅｆｔｒｒｔｔｄｈｅｅｏｍｅｔｔｅｄｎｔｕｕｅａｅｓａｅ．ＫＥＹＯＲＤＳ：Ｕｌｒｓｎｃｍｏｏ；Ｄｒｖｎｎｏｔｏｌｎｙｔｍ；ＭｏｌｎＷｔａｏｉｔｒｉｉｇａｄｃｎｒｌｉｇｓｓｅｄｅｉｇ；Ｓｍｕａｉｎｉｌｔｏ

超声波电机稳态运行的建模和仿真

ｈｏｙｕｉｇａｗａｆｔｒｖｌｖｇｔｐｌｓｎｃｍｏｏｔｔｒａｄｒｔｒｃｎａｔｈｓｔｅｒ．ｓｎｙｏｅｔａｅｉｇｗａｅｒｎｙｅｕｔａｏｉｔｒｓａｏｎｏｏｏｔｃｔｉｌｅｗｈｎｉｒｗｉｍｐｉｄｔｏ—ｄ－ｉｆｉ
模型的复杂度加以改进。
１引言
超声波电机（ｌａｏｉＭｏｒＵＭ）Ｕｔｎｃｔ，Ｓ是八十年代发展起ｒｓｏ来的一种新型微电机。它是利用压电陶瓷逆压电效应激发的微观振动作为驱动力，过多种振动模式的转换与耦合，通
能优化提供了基础。
关键词：超声波；电机仿真；行波型；数学模型
中图分类号：ＰＴ３文献标识码：Ｂ
Ｍａｌｂ —ＢａｅｉｕｌｔｏｆＵｌｒｓｎｃＭｏｏｓｔａ．ｓｄＳｍａｉｎｏｔａｏｉｔｒ
将电能转变成机械能的驱动装置 …。有很多优点，典型表现
一
般超声波电机建模方法有解析模型法、等效电路建模
法、限元的分析模型和辨识建模法。一般来说，有解析模型
ａｉｇｄｔｆｕｔａｏｉｔｒｂｈｄｌ，ｃｎｉｔｎｉｈａｕｅａｕｓｂｔｒＰｏｅｙｅｐｒｍｅｔ，ｔｅｔａａｏｌｓｎｃｍｏｏｙＴｅｍｏｅｎｒｏｓｓｔｗｔｔｅｍｅｒｄｖｅｅｔ．ｒｖｄｂｘｅｅｈｓｌｅｉｎｓｈｓｍｕａｉｎｍｏｅｓｓｍｐｅ，ｏｕｉｇｔｓｓｏｔｏｈｒｈｒｄｖｌｐｎｆｅｔｖｌｇｗａｅｒｎｐｌａｉｌｔｄｌｉｉｌｃｍｐｔｉｉｈｒ，ｆｒｔｅｆｔｅｅｅｏｍｅｔａｅｉｖｉｇｔｅｕｔ — ｏｎｍｅｕｏｔｒｈｎｙｒｓｎｃｍｏｏｎｅｏｍａｃｐｉｚｔｎｐｏｉｅａｂｓｓｏｉｔｒａｄｐｒｒｎｅｏｔｆｍｉｉｒｖｄａｉ．ａｏＫＥＹＷＯＲＢＳ：ｔｓｕｄ；ｔｒｓｍｕａｉｎ；ｒｖｌｇｗａｅ—ｔｐ；ｔｅｔａｍｏｅＵｌａｏｎＭｏｏｉｌｔｒｏＴａｅｉｖｎｙｅＭａｈｍａｉｌｄｌｃ

基于模糊逻辑的行波超声波电动机模型参考自适应转速控制

ＺＤ
ＰｓＰｓＺ０ＮｓＮｓ
ＰＳ
ＰＳＺＯＮｓＮｓＮＢ
ＰＢ
Ｚ０ＮＳＮｓＮＢＮＢ
１。。
一
０３。５一
Ａ：Ｌ０
．２０
］
Ｊ
ＮＢＮｓＺｒ）ＰＳＰＢ
的摩擦作用实现机械能的传递，而使得超声波电因
动机的转速控制存在明显的时变非线性特征，同时也难于建立完全表达超声波电动机动态特性的精确
数学模型。
速度，积分作用主要用于消除静差，微分作用产生超前控制作用以抑制超调。模糊调节器根据实际转速对参考模型输出的跟踪误差，在线修正ＰＤ控制器Ｉ的控制参数Ｋ、。，Ｋ、以使控制器具有与电机特性
蝥ｉ化处理以映射到单位论域［１１上。考虑实际控一，］
ｉ制中的输入变量数值变化范围与变化特点，了使为不敏感，设定转速误差ｅ的量化因子为转速给定值，
ＰＤ控制器参数必然带来Ｉ实验调整，定输出量化因图５控制参数调节过程确
（ｅａｎｖｒｉｆｃｎｅａｄＴｃｎｌｇ，ｕｙｎ７３ＣｉａＨｎｎＵｉｓｙｏｉｃｎｅｈｏｙＬｏａｇ４０，ｈｎ）ｅｔＳｅｏ１０
ＡｂｔａｔＯｖｏｓｔ —ｖｒａｌｎｎｉｅｒｙｅｉｓｉｌａｏｉｔｒｓｅｄｃｎｒ１Ａｍｏｅｒｆｒｎｅａａｔｅｓｒｃ：ｂｉｕｉｍｅａｉｂｅｏｌａｉｘｓｎｕｔｓｎｃｍｏｏｐｅｏｔ．ｄｌｅｅｅｃｄｐｉｎｔｔｒｏｖ

旋转行波型超声波电机的建模

【１集成电路ｌ国
ＣｈｉｎａｎｅｇｒｅｄｉｃｕｉＩｔａｔＣｒｔ
设计
旋转行波蟹超声波电机的建模
赵莹莹，唐元兴ｚ李丈石１，，２
（．１苏州大学电子信息学院微电子学系，江苏苏州，１０６２０；５
２江苏三江电器集团超声波电机有限公司，．江苏靖江，１５０２４Ｏ）
ｕｌａｏｉｔｒｍｏｅｈｏｔｔＲｉｒｍ０ｔｓｎｃｍｏｏｄｌｓｗｈａｒｓｆｏ１０Ｏｈｍｓｔ３１ｏ１００ＯｈｍｓａｄＣｄｉｏ４．Ｆｔ５ｎｎｓｆｍ５ｎｏ５．Ｆ．Ｔｈｅａｌｒｅｄｔｉｐａａｔｒｆｔｉｄｌｙｐｒｍｏｅｒｌｔｄｆｔｒｅｅｒｈ．ｒｍｅｅｓｏｓｍｏｅｈｍａｏｔｅａｅｕｕｅｒｓａｃ
点是体积小、结构简单、低转速、大扭矩、启动和制动
可控性好，广泛应用于众多领域。为了有效加快驱
ｈ＋ｒ／ … ● 、．ｈຫໍສະໝຸດ ＾…；一
ＣｈｉｎａｎｔＩｅｇｒｅｄｉｃｕｉａｔＣｒｔ
所要建模电机／动外特性参数（驱因变量）（寻；２）
ｓｍｕｌｔｏｒａｅｎｔｅｌｔｓｅｔｒｄｖｎｇｃａａｔｒｓｉｓｄｔＳＩｓｆｒ．ＴｈａａｏｈｎｏｉａｉｎａｅｂｓｄｏｈｅｒａｅｔｄｍｏｏｒｉｈｒｃｅｉｔｃａａｂｙＰＭｏｔｅｉｗａｅｄｔｆｔｅｋｗｎ

行波超声波电动机混沌建模与分析

关键词：波超声波电动机；行混沌；ｙｐｎｖ指数；度控制Ｌａｕｏ速
中图分类号：Ｍ３９９Ｔ５．文献标识码：Ａ文章编号：０４７１（０２０ — ０５０１０ — ０８２１）２０１ — ３
ＣｈａｓＭｏｌｎｎｄＡｎｙｓｓｏａｅｉａｅＵｌｒｓｎｃＭｏｔｒｏｄｅｉｇａａｌｉｆＴｒｖｌｎｇＷｖｔａｏｉｏ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ｌ／ＷｅｕｎＳＩＪｎ－ｈｏｎｊａ，Ｉｉｇｚｕ１（ｅａｎｖｒｔｏｃｎｅａｄＴｃｎｌｙＬｏａｇ７０３ＣｉａＨｎｎＵｉｓｙｆｉｃｎｅｈｏｏ，ｕｙｎ１０，ｈｎ）ｅｉＳｅｇ４
ＡｂｔａｔＴｅｔｖｌｇｗａｅｕｔａｏｉｔｒｈｃｓａｎｎｉｅｒｄｎｍｉｙｔｍ，ｃｎｅｈｂｔａｖｒｔｆｃａｔｓｒｃ：ｈｒｅｉｖｌｓｎｃｍｏｏ，ｗｉｈｉｏｌａｙａｃｓｓｅａｎｒｎａｘｉｉａｉｙｏｈｏｉｅｃｐｅｏｎｎｕｄｒｓｍｅｃｏｃｓｏｙｔｍａａｔｒｎｘｅｎｌｉｐｔ，ａｄｉｈｏｉｈｒｃｅｉｉｓｈｖｏｅｎｈｎｍｅｏｎｅｏｈｉｅｆｓｓｅｐｒｍｅｅｓａｄｅｔｒａｎｕｓｎｔｃａｔｃａａｔｒｓｃａｅｎｔｂｅｓｃｔｓｕｉｄｕｔｏｔｄｅｎｉｎｗ．Ｂａｅｎｔｅｎｎ－ｉｅｒｃａｓｍｏｅｆａｔａｅｉｇｗａｅｕｔｓｎｃｍｏｏ，ｔｏｌｅｒｃａａｔｒｓｃｌｓｄｏｈｏｌａｈｏｄｌｏｒｖｌｖｌａｏｉｎｎｒｔｒｉｎｎｉａｈｒｃｅｉｔｓｓｎｉｗｒｎｌｚｄｗｉｅｐｃｏｔｅｂｆｒａｉｎｄａｒｍ，Ｌａｕｏｘｏｅｔｍａｎｈｏｕｆｖｌｇｅａｉｅｔｐｅ．ｅｅａａｙｅｔｒｓｅｔｈｉｃｔｉｇａｈｔｕｏｙｐｎｖｅｐｎｎｐａｄｔｅｌｃｓｏｏｔｅｒｌｔｏｓｅｄａｖＴｅｒｓｌｈｗｔａｈｒｖｌｇｗｖｌａｏｉｔｒｈｓｃａｓｃａａｔｒｔｎｅｅｔｉｏｋｎｏｄｔｎＴｅｔｅ — ｈｅｕｔｓｏｔｅｔｅｉａｅｕｔｓｎｃｍｏｏａｈｏｈｒｃｅｉｉｕｄｒｃｒｎｗｒｉｇｃｎｉｏ．ｈｏｓｈｔａｎｒｓｃａｉｈｒｔｏｎａｉｎｗａｓａｌｈｄｆｒｔｅｃｎｒｌａｄａｔｃｎｒｌｆｃａｓｉｒｖｌｇｗｖｌａｏｉｍｏｏ．ｅｉｆｕｄｔｓｅｔｂｉｅｏｏｔｎｎｉｏｔｏｈｏｎｔｅｉａｅｕｔｓｎｃｃｏｓｈｏ－ｏａｎｒｔｒ

基于能量等效的行波超声波电机数学模型研究

ＣＨＥＮａｇｈａＸｉｎ－ｕ
（ｈｊｎｏｅｅｈｊｎｎｖｒｔｏｅｈｏｏｙＺｉａｇＣｌｇ，ＺｅａｇＵｉｓｙｆｃｎｌ，Ｈａｇｈｕ３０２ｉｌｉｅｉＴｇｎｚｏ０４，Ｃｉ）１ｈｎａ
ＡｂｔａｔＴｅｓｌｉｄｅｕｖｌｎｏｏｉｅｍｄｌｏｅｓａｏａｂａｎｄａｒｔｔｅｆｅｓｒｃ：ｈｉｉｅｑｉａｅｔｍｐｓｅｂａｍｏｅｆｔｔｔｒｗｓｏｔｉｅｔｆｓ，ｈｒ－ｍｐｆｃｔｈｉｑｅｃ－ｑａｉｎａｄｔｅｅｕｔｎｄｓｒｉｇｔｅａｌｕｅｏｒｎｖｒｅｖｂａｉｎｗｒｓｂｉｅｙｕｎｙｅｕｔｎｈｑａｉｅｃｂｎｍｐｉｄｆｔｓｅｉｒｔｅｅｅｔｌｈｄｂｏｏｉｈｔａｓｏａｓＴｉｓｉｋｅｈｏｙＡｎｈｎｂｓｇｔｅＣｕｏｒｔｎｌｗ，ｔｅｆｒｅｔｎｆｒｍｏｅｆｔｅｍｏｈｎｏｂａｔｅｒ．ｍｄｔｅｙｕｉｏｌｍｂｆｃｉａｎｈｉｏｈｏｃａｓｄｌｏｈｒｅ
维普资讯
基于能量等效的行波超声波电机数学模型研究
陈祥华
中图分类号：Ｔ３９９Ｍ５．
文献标志码：Ａ
文章编号：１１８２０）５０３－４０￣（０８０－３０
基于能量等效的行波超声波电机数学模型研究

行波型超声波电机驱动电路特性仿真与优化

和２都经ｌ ⅥＯＳ管接地。
由于压电体静态电容的存在，声波电机的外超
特性呈容性，电压不能发生突变，利用合理的阻其但抗匹配技术，以用方波开关信号进行驱动。文在可本分析过程中用一阻容串联电路模拟超声波电机，并由此建立超声波电机驱动电路的工作模型，后给晟出优化结果。
（中科技大学，北华湖武汉４：７）３）４０
摘
要：绍了行波型超声波电机驱动电路的分析模型．述了仿真过程．出了优化结果及计算公式。升叙给
关键词：声波电机；动电路；真；化超驱仿优
中围分类号：Ｍ３６Ｔ５
文献标识码Ａ
文章编号：Ｏｌ６４（０２Ｏ０３－０１Ｏ一８８２０）２０１３
ＳｉｕｌｔｏｎｄＯｐｔｍｉａｉｏｉｉｒｕｔｏａｅｌｎ－ｗａｅＵｌｒｓｎｉｏｏｍａｉｎａｉｚｔｏｎｆｒＤｒｖｎｇＣｉｃｉｆＴｒｖｌｉｇ－ｖｔａｏｃＭｔｒ
相进行分析，采用驱动电路
驱动电路的优化及其等效电路参数的测量提供了参
照依据。
设高频变压器的１个工作周期为Ｔ，１周则个期内，频变压器１经历了以下四种状态：高（，／Ｔ）Ｏ１４ＭｏＳ１导通，ＭＯＳ２截止；组１直绕接接地，组２经ＭｏＣ２接地。绕（／５，／了）１４１２１ＭｏＳ１与Ｍ０Ｓ２均截止，组１绕

一种行波型旋转超声电机的建模方法[发明专利]

专利名称：一种行波型旋转超声电机的建模方法
专利类型：发明专利
发明人：荆锴,董砚,孙鹤旭,石乐乐,李国庆,梁涛,雷兆明申请号：CN201510749936.9
申请日：20151105
公开号：CN105205295A
公开日：
20151230
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种行波型旋转超声电机的建模方法，是一种TRUM的“电—机—力”混合模型的建模方法，包括以下步骤：第一步：建立“电能－高频振动机械能”过程的定子等效电路模型；第二步：建立“高频振动机械能－转动动能”过程的定转子离散接触模型；第三步，确定接口参数，获得TRUM“电—机—力”混合模型。

该方法以实现按照机电换能关系对电机机理进行解构，通过对各个部分采用不同的方法建模，最终通过合理的接口参数将各部分模型进行联结，从而建立能够反映电机特性并且易于分析的电机混合模型，克服了现有TRUM建模方法存在的无法对定子的齿状结构进行描述、计算难度、复杂度增大和不实用的缺陷。

申请人：河北工业大学
地址：300130 天津市红桥区丁字沽光荣道8号河北工业大学东院330#
国籍：CN
代理机构：天津翰林知识产权代理事务所(普通合伙)
更多信息请下载全文后查看。

行波型旋转超声电机裂纹定子振动建模与仿真

第37卷第10期计算机仿真2020年10月文章编号:1006 - 9348 (2020)10 - 0378 - 06行波型旋转超声电机裂纹定子振动建模与仿真刘电霆1>2，梁桂宾1 ,钟志贤1,TANG Jing- w en2’3(1.桂林理工大学机械与控制工程学院，广西桂林541004;2.桂林理工大学信息科学与工程学院，广西桂林541004;3.谢菲尔德大学信息学院，英国谢菲尔德S10 2T N U K)摘要:针对超声电机定子因疲劳而产生裂纹，进而对其运行性能产生影响这一新问题，采用裂纹的等效扭簧模型，将定子弹性体和压电片复合的简支梁分割为两段，列出其振动方程;根据简支梁的边界条件，以及裂纹处挠度、剪力、转矩连续和转角协调条件等，推导出含裂纹的行波型旋转超声电机T R U M定子的总体振动模型及其强迫响应解析。

并在M A T L A B软件平台上，进行T R U M实例仿真，分析发现，裂纹的存在，对电机的行波波形发生改变，产生使定子横向振动最高点及其纵向运动速度不一致等影响，为今后根据定子振动波形的变化来挖掘出电机是否有裂纹及其形式，进而对电机运行健康状态的监控和补偿，提供了一种较好的途径。

关键词：建模;仿真;超声电机;裂纹中图分类号:TP391.9 文献标识码：BModeling and Simulation of the Cracked Stator Vibrationof Traveling Wave Rotational Ultrasonic MotorLIU Dian -ting1’2，LiANG Gui - bin1，ZH0NG Zhi -xian1，TANG Jing- wen2’3(1. College of Mechanical and Control Engineering,Guilin University of Technology,Guilin Guangxi 541004, China；2. College of Information Science and Engineering,Guilin University of Technology,Guilin Guangxi 541004, China；3. Information School,University of Sheffield,Sheffield S10 2T N,U K)ABSTRACT：Aiming at the new problem that the stator of ultrasonic motor cracks caused by fatigue affect i t s operation performance,w e used the equivalent torsion spring model of the crack to divide the elastic body in the stator and the simply supported composite beams attached with the piezoelectric into two sections,and the vibration equation i s listed.According to the boundary conditions of simply supported beams and the conditions of deflection,shear, torque continuity and angular coordination at the cracks,the overall vibration model and forced response analysis of T R U M stator of traveling wave rotational ultrasonic motor with cracks were deduced.Based on the case of T R U M simulation on M A T L A B software platform,i t i s found that the existence of cracks changes the traveling wave waveform of the motor,and causes the inconsistency in the m a x i m u m transverse vibration point of the stator and i t s Longitudinal movement speed.According to the change of stator vibration waveform,this finding will provide a better way to find whether the motor has cracks and the forms of cracks to monitor and compensate the motor running health state.KEYWORDS：Modeling；Simulation；Ultrasonic motor；Crack基金项目：国家自然科学基金（51565009)收稿日期:2019-01 _18修回日期:2019-01 -22—378—1引言超声电机（U l t r a s o n i c Motor,U S M)[I]是一种利用压电材料的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩的理想微电机，具有结构简单、小型轻量、响应速度快、运行无噪声、免电磁干扰等的特点。

行波型超声波电机驱动电路特性仿真与优化(精)

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 伺服技术" #$%&’ ($ *+, -. $行波型超声波电机驱动电路特性仿真与优化收稿日期 /0112320304基金项目 /国家高技术航天领域项目 5674303038379:余建华 ; 辜承林5华中科技大学 ; 湖北武汉8411<8:摘要 /介绍了行波型超声波电机驱动电路的分析模型 ; 叙述了仿真过程 ; 给出了优化结果及计算公式 =关键词 /超声波电机 >驱动电路 >仿真 >优化中图分类号 /? @4A 7文献标识码 /B文章编号 /21123768650110:1031142314#C D E F G H C I JG J K’ L H C D C M G H C I JN I O P O C Q C J R C O S E C H I N (O G Q T F F C J R 3U G Q T . F H O G V I J C S WI H I OX Y Z [\]3^_\; ‘ Y a ^b ]c 3d []5e _\f ^g ]cY ][h b i j [k lg m n o [b ]o b \]p? b o ^]g d g c l ; q_^\]8411<8; a ^[]\:r s V H O G S H /B t g p b dg mk ^b p i [h []c o [i o _[kg mk i \h b d d []c 3u \h b _d k i \j g ][ot g k g i[jv i b j b ]k b p []k ^[jv \v b i w B o o g i p []c d l ; k ^b j [t _d \k[g ]vi g o b j j [j p b j o i [x b p\]pk ^b g v k [t [f b pi b j _d k j \]pk ^b \]\d l k [o \d m g i t _d \\i b c [h b ]w y T zU I O K V /_d k i \j g ][o t g k g i >p i [h []co [i o _[k >j [t _d \k [g ]>g v k [t [f \k [g ]{引言超声波电机是将电能转换为机械能的换能元件 ; 与通常的电磁型电机相比 ; 具有转矩大 |效率高 |控制特性好 |断电自锁 |定位精确 |噪声小 |无磁性干扰等特点 =应用前景十分广阔 =超声波电机的基本工作原理为 /对超声波定子两相压电元件施加具有一定相位差的超音频交流电压 ; 在定子中激发一行波 ; 定子表面质点作与行波行进方向相反的椭圆运动 ; 若将转子压在定子上 ; 则两者在行波的波峰点接触 ; 受摩擦的作用 ; 转子向行波的反方向移动 =目前国内的研究主要集中在新型 Y n @运行机理和结构 |Y n @驱动控制技术以及Y n @实验及测量技术等方面 }2~=本文研究了 Y n @驱动电路与其机械负载的阻抗匹配问题 ; 为 Y n@驱动电路的优化及其等效电路参数的测量提供了参照依据 =由于压电体静态电容的存在 ; 超声波电机的外特性呈容性 ;其电压不能发生突变 ; 但利用合理的阻抗匹配技术 ; 可以用方波开关信号进行驱动 =本文在分析过程中用一阻容串联电路模拟超声波电机 ; 并由此建立超声波电机驱动电路的工作模型 ; 最后给出优化结果 =! 超声波电机驱动电路行为特性仿真图 2为超声波电机的驱动电路 }0~; 它采用 0路推挽功放电路组成 ; 两相工作具有对称性 ; 可取其中一相进行分析 ; 并采用普通变压器模型 =图 2超声波电机驱动电路设高频变压器的 2个工作周期为 " ; 则 2个周期内 ; 高频变压器 2经历了以下四种状态 /51; 2#8" :@$n 2导通 ; @$n 0截止 >绕组 2直接接地 ; 绕组 0经 @$a 0接地 =52#8" ; 2#0" :@$n 2与 @$n 0均截止 ; 绕组 2和 0都经 @$n 管接地 =52#0" ; 4#8" :@$n 2截止 ; @$n0导通 ; 绕组 2经 @$n 2接地 ; 绕组 0直接接地 =54#8" ; " :@$n 2和 @$n 0均截止 ; 绕组 2和 0经 @$n 管接地 =图 0为超声波电机一相驱动电路的电路模拟 ;%24%&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&行波型超声波电机驱动电路特性仿真与优化余建华辜承林万方数据电容 ! " #! $分别模拟截止状态的 %&’ ( *管 +图 $超声波电机一相输出模拟电路选择反映谐振情况的电压和电流信号作为考察对象 , 建立图 $电路空载 #接电容负载时的 -组数学模型 , 分别列写状态方程 +以接负载时为例 , 其状态方程为 ./" /$444456" " 7" $7" 84447$" 6$$7$844478" 78$6889! " 4444449! $444444! 8:; <" <$<8/="/=$/=8>? " 44" 444? $44" 444? 844"444444" 444444" 444<" <$<8/="/=$/=8式中 , 6" " 和 6$$为原方上 #下两绕组的自感 , 688为副方绕组自感 +7" $为原方上 #下两绕组间的互感 +7" 8和 7$8为原方上 #下两绕组对副方绕组的互感 @78" 57" 8, 78$57$8A +? " 和 ? $为原方上下两绕组的电阻值 @? " 5? $A +? 8为副方绕组电阻值和负载电阻之和 +! 8为负载电容值 , 亦即超声波电机的等效电容值 , /=8为其两端电压 , 正方向与电流 <8方向相关联 +<" 和 <$分别为上下两绕组电流 , 方向如图所示 , /=" 和 /=$分别为 ! " 和 ! $两端电压 +数值求解状态方程即可得出电流 #电压波形 , 获得仿真结果 +B 超声波电机驱动电路匹配优化超声波电机的谐振状态为理想工作状态 +因此 , 优化问题的提法为 . 在谐振频率一定的条件下 , 寻找一负载电容值 , 使其与信号源发生谐振 , 同时调节电路参数 , 使电路工作在匹配状态 +其中高频变压器在实现谐振及阻抗匹配方面将会起到关键作用 +考虑高频变压器推挽式运行特点 , 拟采用普通变压器分析模型 , 图 8为接电容负载时的电路图 +图 8接电容负载的等效电路图C " " >DE " " 5? " >D @FG " 9F ! " " A C $$>D E $$5? 8>D @F G $9F ! $$A 式中 , G " 56" " , G $5688, C " " 5? " 5? $, C $$5? 8调节次级等效回路中的电容值 , 使次级等效回路发生谐振 , 则相应的负载电容期望值应为 .! 85@F $G " 9$C $" " >E$" "E " " A 9"为使超声波电机具有较高效率 , 超声波电机应工作在匹配状态下 , 根据功率最大传输定理可知 , 当? 85$C $" " >E$" "E " "时 , 次级回路电流达到最大值 , 电机效率最大 +I 仿真波形及优化结果在确定了行波型超声波电机驱动电路模型后 , 对其工作情况进行仿真 , 可得出电机优化运行结果 +根据图 $所示正方向 , 电路参数为 .6" " 596$$54J 44-4K ? " 5? $54J 8L 68854J -M 44K ? 85" N L 7" $54J 448O K 7" 8597$854J 48P-K 图 -给出 Q 5$" R K S时的空载副方电压波形 +图 -空载时副方电压波形从图 -中可以看出 , 由于%&’ ( *管结间电容的作用 , 使得脉冲后沿尖峰的变化速度减慢 , 同时前沿很陡的脉冲电压导致渐趋稳定的振荡过程 +T$8T 微电机$44$年第 8M 卷第 $期 @总第 " $M 期 U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U UA万方数据图 ! 为选定负载电容后变压器副方电压波形 " 为形状较好的正弦波 #图 $为对应图 ! 的电流波形 #图 ! 谐振时副方电压波形图 $谐振时副方电流波形图 %为选定匹配电阻后的变压器副方电压波形 " 图 &为相应的电流波形 #比较图 &和图 $可看出 " 匹配状态下 " 副方电流值增大 " 效率提高 " 但原电路的特性发生了变化 " 电压波形畸变 #’ 结语通过建立超声波电机驱动电路的工作模型 " 分别对空载 (谐振及匹配进行了仿真 #在对高频变压器次级回路进行了谐振分析后 " 给出了计算谐振负载电容值的公式 " 为进一步确定 *+等效电路的参数提供了依据 #图 %匹配时副方电压波形图 &匹配时副方电流波形参考文献 ,-. /胡敏强 0超声波电动机的研究及其应用 -1/0微特电机 " 23334! 5, 2&67. 0-2/刘锦波 "陈永校 0行波型超声波电机械特性计算与驱动系统的分析 -1/0电机与控制学报 " . 88&" 2495, 7. 6770-7/胡宴如 " 章忠全 0高频电子线路 -+/0高等教育出版社 " . 8870作者简介 , 余建华 4. 8%&:5" 女 " 硕士研究生 " 研究方向为超声波电机仿真与优化 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; #4上接第 $页 5在 <=>? +电枢电路中引入 @A 的概念 " 使电枢等效电阻改为@B @C D @E D @A " 能正确反映电枢电路的电压平衡关系 " 可以正确确定旋转电压的值 " 因而正确地确定电动机的运行转速和相关的运行特性 #但应指出的是 " @A 与磁储能相联系 "与一般的电阻不一样 " F 2G@A 不能代表电机内的热损耗 " 事实上它与电动机内机电能量转换过程有关 # 参考文献 ,-. /韩光鲜 "谢占明 " 王宗培 0无刷直流电动机电枢等效电阻的实例研究 -1/0微电机 " 2332" 7! 4. 50作者简介 , 韩光鲜 4. 8%3:5" 男 " 博士研究生 " 从事伺服及步进驱动单元的运行分析及仿真研究 #:77:H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H 行波型超声波电机驱动电路特性仿真与优化余建华辜承林万方数据。

行波超声波电机的动力学模型仿真

行波超声波电机的动力学模型仿真
徐志科;胡敏强;金龙
【期刊名称】《东南大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2008(038)006
【摘要】在Kirchoff薄板理论的基础上,推导了行波型超声波电机定子的振型方程,并根据该振型利用Hamilton能量变分原理,建立行波型超声波电机整体的机电耦合动力学模型.为了分析电机输出特性,模型中考虑了定转子间摩擦界面上的相互作用力.在该模型基础上,以定子直径100 mm行波型超声波电机为例,分析其输出性能,分析了在施加100～700 N轴向预压力情况下,电机运行特性及输出特性.最后测试了实际电机,结果表明,所给出的动力学模型仿真结果与测试结果吻合.
【总页数】5页(P1072-1076)
【作者】徐志科;胡敏强;金龙
【作者单位】东南大学电气工程学院,南京210096;东南大学电气工程学院,南京210096;东南大学电气工程学院,南京210096
【正文语种】中文
【中图分类】TM38
【相关文献】
1.中空环形行波超声波电机试验研究与改进设计 [J], 蒋春容;张津杨;董晓霄;陆旦宏
2.基于模糊逻辑系统的行波型超声波电机速度/位置控制研究 [J], 陈柄汛;尹伊琳
3.行波型超声波电机的数学建模研究 [J], 谢朝阳;傅平
4.行波型超声波电机等效电路建模 [J], 周先立;罗萍;黄龙;刘泽浪
5.考虑定子齿结构的行波超声波电机接触摩擦模型 [J], 蒋春容;张津杨;任香亭;陆旦宏
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

旋转行波超声电机的非线性动力学建模与机理分析的开题报告

旋转行波超声电机的非线性动力学建模与机理分析的开题
报告
一、研究背景
旋转行波超声电机是一种新型的非接触式绕线装置，广泛应用于汽车、家用电器、机械等工业领域。

该装置采用旋转式设计，利用超声波在绕线导轮与绕线辊之间产生
高强度的行波，达到快速而稳定地绕线的目的。

然而，在实际应用过程中，旋转行波
超声电机会出现非线性动力学现象，如不稳定、混沌等。

因此，建立旋转行波超声电
机的非线性动力学模型，分析机理，对于设计优化旋转行波超声电机具有重要意义。

二、研究目的
本研究旨在建立旋转行波超声电机的非线性动力学模型，分析其中的机理，以深入认识旋转行波超声电机的运动规律、振动特性等，并为设计优化旋转行波超声电机
提供理论指导。

三、研究内容
1. 旋转行波超声电机的相关理论
研究旋转行波超声电机的基本原理、结构特点、参数设置等。

2. 旋转行波超声电机的非线性动力学模型建立
基于动力学理论，以旋转行波超声电机的运动方程为基础，建立其非线性动力学模型。

3. 旋转行波超声电机的机理分析
分析旋转行波超声电机的运动规律、振动特性等，以深入认识其机理。

4. 模拟仿真
采用Matlab等软件工具对所建立的模型进行仿真，验证模型的准确性。

四、研究意义
通过本研究，可以深入了解旋转行波超声电机的非线性动力学现象及其机理，为优化旋转行波超声电机设计提供理论指导。

此外，研究结果对于提升旋转行波超声电
机的制造技术和推广应用也具有重要意义。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

下，电机运行特性及输出特性．后测试了实际电机，果表明，最结所给出的动力学模型仿真结果与
测试结果吻合．关键词：行波超声波电机；电耦合；模机建
中图分类号：Ｍ３Ｔ８文献标识码：Ａ文章编号：１０ — ５５２０）６１７￣０１００（０８０ —０２５
（ｃｏｌｆｌｔｃｌｎｉｅｒｇｏｔａｔｎｖｒｉ，Ｎｎｉｇ２０９ＣｉａＳｈｏｏｅｒａＥｇｎｅｎ，ＳｕｅｓＵｉｅｓｙａｊ１０６，ｈｎ）Ｅｃｉｉｈｔｎ
Ａｂｓｒｃ：ＢｙａｐｌｉｇｔｅＫｉｃｏｆｓｐａｅｔｅｒｔａｔｐｙｎｈｒｈｆ＇ｌｔｈｏｙ，ｔｅｖｉｒｔｏｏｅｅｕｔｏｏｒｖｌｇｗａｅｈｂａｉｎｍｄｑａｉｎｆｔａｅｉｖｎｔｐｌａｏｎｃｍｏｏｔｔｒｈｓｂｅｅｕｅｙｅｕｔｓｉｔｒｓａｏａｅｎｄｄｃｄ．Ｔｈｒｖｌｇｗａｅｔｐｔａｏｉｏｏ ’ ｌｃｒｒｅｔａｅｉｖｙｅｕｌｓｎｃｍｔｒＳｅｅｔｏ－ｎｒ
ｍｅｈｎｃｌｃｕｌｎｄｌｉｌｏｅｔｂｉｈｅｔｈｍｉｏＳｐｉｉｌｎｉｒｔｄｑａｃａｉａｏｐｉｇｍｏｅＳａｓｓａｌｓｄｗｉｔｅＨａｌｎ’ ｒｎｃｐｅａｄｖｂａｉｍｏｅｅｕ — ｈｔｏｎ
ｔｏｉｎ．ＩｔｒｃｉｎｆｒｅｅｗｅｎｔｅｓａｏｎｏｏｒｒｓｎｅｎｔｓｍｏｅｏａａｙｉｈｏｏｓｎｅａｔｏｃｓｂｔｅｈｔｔｒａｄｒｔｒａｅｐｅｅｔｄｉｈｉｄｌｔｎｌｓｓｔｅｍｔｒｏＯｔｕｈａａｔｒｓｉ．ＡｃｏｄｉｏｔｅａｔａｔｕｔｒａａｅｅｆｔｅｔａｅｉｇｗａｅｔｐｌａｏｉＵｐｔｃｒｃｅｉｔｃｃｒｎｇｔｈｃｕｌｓｒｃｕｅｐｒｍｔｒｏｈｒｖｌｖｙｅｕｔｓｎｃｎｒｍｏｏｉｓａｏｄａｅｅｆ１０ｍｍ．ｔｅｐｒｔｏａｃａａｔｒｓｉｉｔｋｎｎｏｃｏｎ．Ｔｈｔｒｗｔｔｔｒｉｍｔｒｏｈ０ｈｏｅａｉｎｌｈｒｃｅｉｔｃＳａｅｉｔａｃｕｔｅｍｏｏ ’ ｐｒｔｏｅｆｒａｃｎｕｐｔｃａａｔｒｓｉｒｂａｎｄｕｄｒｖｒｅｘａｒ．ｒｓｕｅｔｒＳｏｅａｉｎｐｒｏｍｎｅａｄｏｔｕｈｒｃｅｉｔａｅｏｔｉｅｎｅａｉｄａｉｌｐｅｐｅｓｒｃｆｏ１０ｔ０．Ｉａｅｔｐｓｉｅｔｒｄｉｔｍｏｔｏｈｅａｉｒａｄｐｒｏａｃｈａａｔｒｓｒｍ０ｏ７０Ｎｔｍｋｓｉｏｓｂｌｏｐｅｃｓｆｔｅｂｈｖｏｎｅｆｒｎｅｃｒｃｅｉ— ｍｔｃｆｍｏｏｓａｆｎｔｏｆｔｅｅｔｒａｏａｉｇｐａａｔｒ．Ｔｈｏｏｅｓｒｍｅｔｉｌｏｅｅｕ— ｉｓｏｔｒａｕｃｉｎｏｈｘｅｎｌｌｄｎｒｍｅｅｓｅｍｔｒｍａｕｅｎＳａｓｘｃｔｄＴｈｉａｉｎｒｓｌｇｅｔｈｅｔｒｓｌｅ．ｅｓｍｕｌｔｅｕｔａｒｅｗｉｔｅｔｓｅｕｔｏｓｈｓ．ｗｈｃｈｗｈｓｓｍｕａｉｎｍｏｅＳｖｌｄ．ｉｈｓｏｔｉｉｌｔｏｄｌｉａｉ
行波超声波电机的动力学模型仿真
徐志科胡敏强金龙
（南大学电气工程学院，京２０９）东南１０６
摘要：在Ｋｒｈｆ薄板理论的基础上，ｉｏｃ推导了行波型超声波电机定子的振型方程，并根据该振型
Ｒｅｅｒｈｏｙａｉｏｅｆｔａｅｉｇｗａｅｔｐｌｒｓｎｃｍｏｏｓａｃｎｄｎｍｃｍｄｌｏｒｖｌｖｙｅｕｔａｏｉｔｒｎ
ＸｕＺｈｋｉｅＨｕＭｉｑａｇｎｉｎＪｎＬｏｇｉｎ
第３８卷第６期
２００８年１１月
东南大学学报（自然科学版）
ＪＵＲＡＬＯＦＳＴＥＴＵＮＶＥＳＴ（ａｕａＳｉｃｄｔｎＯＮＯＵＨＡＳＩＲＩＹＮｔｌｃｎｅＥｉｏ）ｒｅｉ
Ｖ０ｌ３ＮＯ６＿８．ＮＯＶ．２００８
利用Ｈａｌｎ能量变分原理，ｍｉｏｔ建立行波型超声Байду номын сангаас波电机整体的机电耦合动力学模型．了分析电为
机输出特性，型中考虑了定转子间摩擦界面上的相互作用力．该模型基础上，模在以定子直径１０ｍｍ行波型超声波电机为例，析其输出性能，析了在施加１０～０轴向预压力情况０分分０７０Ｎ