大行程、高分辨率直线型超声电机及其驱动的精密运动平台的研究

In allusion to current application requirements in precision actuation field, a long stroke ,high resolution linear ultrasonic motor and the precision positioning system driven by it are studied.Firstly,a nolinear dynamics model of linear ultrasonic motor in multi-fields is established to study the relationship between the different characteristic dynamical behaviors and the output performances of the linear ultrasonic motors on the condition of the ultrasonic excitation. Furthermore,the dynamic optimal design and the whole topology optimization design of the linear ultrasonic motor are carried out.Secondly,the transient nonlinear dynamic behaviors of linear ultrasonic motors are analyzed and thus to obtain a micro-step control mechanism of them.Thirdly,the driving technology, detection technology and control strategies are studied to ensure the high controllability, high resolution and high positioning accuracy of the linear ultrasonic motors.Finally,in response to the features of linear ultrasonic motors,the structural design and integration methods of the multi-DOF positioning table driven by them are studied.Combining theoretical analysis and experiment,the design theory and methodology of linear ultrasonic motors and the precision positioning system driven by them are summarized.

针对当前精密作动技术领域的应用需求，研究一种大行程、高分辨率的直线型超声电机及其驱动的精密运动平台系统：首先，建立多场耦合下直线型超声电机系统的非线性动力学模型，对电机系统在超声激励下不同特征的动力学行为与输出性能之间的关系进行分析。在此基础上，指导该种电机的动力学优化设计和整机拓扑优化设计；其次，研究直线型超声电机系统的瞬态非线性动力学行为，建立系统微步距输出控制机制；再次，对保证高可控性、高分辨率和高运动精度的直线型超声电机系统的驱动技术、检测方法和控制策略进行研究；最后，针对直线型超声电机驱动特点，研究该种电机驱动的多自由度运动平台的结构设计和集成方法，并制作出精密运动平台系统样机。理论与试验研究相结合，从中总结、提炼出直线型超声电机及其驱动的精密运动平台的设计理论和方法。

本项目研究了一种大行程、高分辨率的直线超声电机及其驱动的精密运动平台系统，主要成果有：. 1）针对超声激励下电机定/动子接触界面动力学行为和运动传递规律开展了研究工作，提出了直线超声电机在多场耦合下的定/动子接触界面动力学模型及电机瞬态 和稳态特性预测方法，解决了数学建模和特性预测的难题，为直线超声电机的设计和性能优化奠定了理论基础；. 2）针对电机构型、系统一体化设计对能量耗散的影响问题，开展了直线超声电机的结构动力学优化设计方法的研究，提出了两种直线超声电机的动力学优化设计方法和一种新型电机定子夹持与预压力施加机构。采用该方法设计的电机，既提高了能量传输效率，又增强了电机结构及输出的稳定性。. 3）针对时变非线性条件下的电机微步距控制机制问题，提出了一种驱动信号与负载解耦的全域匹配和多参数可调的信号输出控制方法，发明了一种双PWM驱动拓扑结构超声电机驱动控制器，实现调压调节与调频调节的独立控制，以及输出电压的线性控制，通过有效的关断控制机制，实现了超声电机的高可控性、高分辨率输出控制。. 4）提出了一种直线超声电机机电特性测试系统，实现了对直线超声电机的多种特性进行测量，而且测试方法简便、快捷。同时，利用该测试系统也非常方便于针对不同预压力、不同摩擦界面情况下的直线超声电机特性研究。. 5）通过针对直线超声电机驱动平台系统的驱动技术、检测方法和控制策略的研究，实现了大行程（＞100mm）、高分辨率（纳米级）和高定位精度（亚微米级）的运动输出，总结、提炼出了直线型超声电机驱动的精密运动平台的设计理论。. 本项目发表学术论文22篇，授权专利5项，荣获国家级奖项1项，省部级奖项1项。研制成功多种直线超声电机及其驱动控制器，设计制造了多种直线超声电机驱动的精密定位平台系统，已达到国际同类产品水平，可以满足国内集成电路光刻技术、光纤对接技术、生物医学工程和微装配技术等不断发展的要求。