电磁调制非接触式压电驱动系统动力学及最优驱动方案研究

A non-contact piezoelectric driving system modulated by electromagnetic field is presented in this project. The drive system not only has the characteristics of non-contact piezoelectric drive without friction, long life and non-self-lock, and has the advantages of low speed, high torque, short response time, wide speedrange, simple structure, is beneficial to the miniaturization. Research on the drive system is significance for further broadening Research field of the non-contact piezoelectric actuator. Research contents of the project are as follow: Driving principle and prototype design of a non-contact piezoelectric driving system modulated by electromagnetic field will be researched. Multi-field couplingdynamics theory of the system will be established. Influence of system parameterson changes in the dynamic response of the drive system is revealed. Through establishment of the static and dynamic output torque control equations of the drive system, the system parameters will be optimized based on dynamic performance as the objective function. Finally, the optimal driving scheme is proposed. the prototype performance test platform will be set up and the theoretical results will be verified. Basic theory and key technologies inthis project will be established to provide theoretical and technical basis for anon-contact piezoelectric driving system modulated by electromagnetic field design and development.

本项目提出一种电磁调制非接触式压电驱动系统，该驱动系统不仅具有传统非接触压电驱动器无摩擦、寿命长和无自锁现象等特点，而且具有低速、大转矩，响应时间短、调速范围较宽，结构简单，有利于小型化等优点，该驱动系统的研究对进一步拓宽非接触式压电驱动器研究领域具有重要意义。本项目拟进行电磁调制非接触式压电驱动系统的驱动原理分析；建立该驱动系统电磁-压电-机械系统多场耦合动力学模型，揭示系统参量变化对驱动系统动态响应的影响规律；通过驱动系统静、动态输出力矩控制方程的建立，并以动态性能指标为目标函数进行系统参数优化，确定最佳驱动方案；搭建测试平台对样机的驱动性能进行测试以验证理论分析的正确性。本项目中建立的基础理论和关键技术可为电磁调制非接触式压电驱动系统设计开发提供理论与技术依据。

电磁调制非接触式压电电机是集成压电驱动和电磁调制振动控制的新型压电机，具有定转子无摩擦，寿命长，低速、输出力矩大,调速范围宽等特点。该驱动系统的研究对进一步拓宽非接触式压电驱动器研究领域具有重要意义。. 本项目完成了原理样机的结构设计，运用压电学、电磁学、机构学理论推导了电磁耦合机构的对转子的静、动态夹持力矩方程，并研究了系统设计参数对动态输出转矩的影响。建立了驱动系统的自由振动动力学模型，求解系统的固有频率及模态函数，研究了主要系统参数对驱动系统的动态特性的影响规律。建立了驱动系统受迫振动动力学模型，利用Duhamel积分求解了各子系统的动力学动态响应。分别讨论了在时域和频域内各子系统位移受迫响应规律，通过改变各子系统机、电参数，研究了系统位移响应的变化规律。建立了压电叠堆与驱动部分其他构件之间非线性动力学方程，推导出驱动系统弱非线性自由振动动力学方程的近似解，驱动系统在接近共振和远离共振时非线性受迫振动中的动态响应及其影响因素进行分析。完成原理样机设计、组装、调试以及驱动控制系统设计，实验结果是电机运行基本平稳，完成了压电电机驱动部分梁结构模态实验，测试了电机的输出特性给出了应用不同场合的驱动方案，验证了所提出的驱动原理正确性。