基于单定子的旋转-直线型超声波电机研究

多自由度超声波电机在机器人等领域具有独特的优势。本项目以研制结构紧凑，驱动简单的多自由超声波电机为目标，致力于探索一种单定子和单相电源驱动的旋转-直线型超声波电机的设计理论与方法。通过研究电机的构造机理和方法，建立电机的结构动力学模型，并与有限元分析方法相结合，合理选择电机的模态和频率，并对电机的结构进行优化设计；根据电机的工作原理，采用惯性冲量的控制方法，仿真与实验分析不同激励方式对电机输出特性的影响；研制电机样机和驱动控制器样机，建立电机的测控平台，对旋转-直线型超声波电机的输出特性展开实验研究，验证理论模型的准确性。通过本项目的研究，将形成一套基于单定子的旋转-直线型超声波电机的分析、设计、制造、驱动控制和测试的理论和方法，为其在微型机器人和光学等领域的应用奠定理论与技术基础。

本项目研究一种新型的单定子和单相电源驱动的旋转-直线型超声波电机，并从构造机理、数学模型、有限元仿真、性能测试及结构优化等方面对电机进行综合分析，取得如下的进展。(1) 提出基于单定子的旋转-直线型超声波电机的杆式结构，巧妙利用倾斜放置的压电陶瓷片，激发定子弹性体扭转和纵向两个模态并转换为转子的运动输出。样机最小长度为25mm，直径仅为2.5mm，结构简单紧凑，适用于微型化场合。(2) 提出单相电源供电的电机驱动控制方法。采用非对称方波电压输入，利用近谐振点惯性冲量方式有效驱动转子运动，通过控制信号的频率、占空比和幅值，实现转子运动模式的切换、运动方向的改变和运动速度的调节。(3) 提出基于复损耗的旋转-直线型二自由度超声波电机定子建模新方法。采用等效模型推导定子模态振型的解析解，准确预测电机的谐振频率；并进一步利用压电损耗因子和金属损耗因子，推导定子端面谐振振幅的近似计算方法，用于计算在纵向和扭转模态下定子端面质点的最大位移值和最大偏转角；建立有限元模型验证，数学模型与仿真结果基本吻合。(4) 提出二自由度超声波电机的定子优化设计方法。以电机定子的输出性能为优化目标，以定子的结构参数为变量展开优化设计，并引入相对敏感系数来筛选核心优化参数。制作多组样机进行比对测试，优化后的电机性能提升20%。本项目研制的旋转-直线型电机丰富了多自由度超声波电机的种类，拓展了其应用领域，所采用的建模和优化方法对于超声波电机的机理特性分析与结构设计具有重要的指导作用。目前，共发表EI收录期刊论文10篇，申请专利3项(授权2项)。