旋转超声电机微位移瞬态非线性机理及控制方法研究

针对微纳定位和操作的需求，开展旋转行波超声电机亚微弧级位移的瞬态非线性机理和控制方法研究，探究兼顾转速和精度、结构简洁、断电自锁的微纳旋转定位/进给新技术。首先，确定瞬态压电弹性本构方程和压电换能器的响应模型；其次，研究启动瞬间时滞非线性现象的非光滑动力学本质和规律，运用广义变分原理建立电机系统的力电热耦合模型，分析非光滑参数与时滞非线性动力学行为之间的关系；之后，研究关断瞬间系统周期运动、产生分叉和混沌的演变规律，深入分析系统的不同动力学特征与关断制动性能之间的关系；最后，研究启动时的时滞非线性控制规律和制动时的混沌过程控制规律。从中总结、提炼出稳定性高、鲁棒性强、具备亚微弧级位移功能的超声电机设计理论和控制方法，力争为我国微纳定位/进给等操作提供新的解决方案和关键技术支持。

理论上分析了超声电机的瞬态机械特性、步进机理和超声电机中存在的非线性现象。搭建了嵌入式的超声电机微步距控制检测系统，进行了与稳态步距相关的实验研究。从实验中总结分析了非线性因素对超声电机性能的影响。准确地测定了超声电机最小单步波数的个数，清晰地观察电机微步距和稳态步距的波形图，为后续控制算法的研究提供了验证平台。.设计了一种新型的双PWM超声电机驱动控制器，进行了输出特性、启动和关断特性、单相调压调速、闭环特性研究。能够实现调压调节与调频调节的独立控制。通过有效的软/硬关断控制机制，实现超声电机的伺服驱动与微纳级定位控制。单相调压方式是基于双PWM功率驱动拓扑结构的控制方式的创新，该方式使超声电机的伺服特性得到了充分的展现。.提出了超声电机精密微步距PID 控制算法，并在大量试验结果基础上对其进行有效的改进，优化了控制效果，增强了系统的鲁棒性。在此基础上，又将此方法拓展到超声电机驱动的3-PRR平台、 锁紧装置和光阑等的精密定位控制上。微步距角<1µrad,超声电机驱动平台的直线定位精度达到0.5µm。