能量回馈型超声波电机的构造理论与关键技术研究

The excellent performances of ultrasonic motors enable their wide applications in driving and controlling micro robots in recent years. However, due to the utilization of friction driving mechanism, the energy conversion efficiency is low, which greatly limit their applications in occasions such as sealed conditions where working micro robots only have limited energy supply.In order to provide a solution for such applications, the vibration energy-recycling technology is proposed to harvest and transfer vibration energy into electrical power, and to periodically supply to the micro robots involved.In this project,we will study the basic theories and the key technologies of the energy-recycling-type ultrasonic motor, followed by the prototype development of at least one type.The research contents include: (1) The operation mechanism and the key structure design; (2) The theorerical model and the design method; (3) The coupling dynamic behaviors between the energy harvesting system and the energy storing system; (4) The driving and the controlling performances; (5) The manufacturing sciences and the comprehensive tests. The objective of the project is to develop a highly efficient and energy-saving ultrasonic motor where the driving and the energy harvesting functions are integrated.

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。