矩形板超聲電機(jī)的振子振型激勵(lì)技術(shù)研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)不同,超聲電機(jī)是基于摩擦驅(qū)動(dòng)原理的一類新型電機(jī)。超聲電機(jī)利用彈性壓電振子的共振,通過摩擦耦合驅(qū)動(dòng)與其接觸的動(dòng)子運(yùn)動(dòng)。該類電機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩、功率體積比高、結(jié)構(gòu)緊湊、定位精度高、不受電磁干擾、斷電自鎖等優(yōu)點(diǎn),可以滿足直接驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域、精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域和無磁驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域?qū)︱?qū)動(dòng)器的微型化、精密化和智能化的要求。為了成功地設(shè)計(jì)出超聲電機(jī),并使超聲電機(jī)輸出較好的工作性能,必須研究超聲電機(jī)的振子振型激勵(lì)技術(shù)。在預(yù)壓力和負(fù)載一定的情況下,振子對(duì)動(dòng)

2、子做功大小,取決于振子表面接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。而振子表面接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,是振子在所有工作模態(tài)下振動(dòng)的綜合作用。因此如何有效地激勵(lì)出振子的工作模態(tài),并使各個(gè)工作模態(tài)成功耦合是超聲電機(jī)設(shè)計(jì)的核心工作,也是提升超聲電機(jī)輸出性能的關(guān)鍵。對(duì)于特定尺寸的壓電振子來說,振子表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡主要受振子工作模態(tài)的類型、工作模態(tài)的耦合方式、激勵(lì)信號(hào)的電壓、頻率及其施加位置等因素的影響。本文主要圍繞著如何有效地激勵(lì)出超聲電機(jī)的工作模態(tài)、并使各模態(tài)之間成功耦

3、合,從三個(gè)方面研究矩形板超聲電機(jī)的振子振型激勵(lì)技術(shù),這三個(gè)方面為:
　　(a)振子的工作模態(tài)耦合方式。
　　(b)振子各工作模態(tài)的頻率一致性調(diào)節(jié)方法。
　　(c)激勵(lì)信號(hào)的施加位置確定方法。
　　本文的主要工作如下:
　　1.提出并實(shí)現(xiàn)了一種矩形板超聲電機(jī)的雙頻模態(tài)疊加激勵(lì)方法,得出了兩個(gè)不同頻率的模態(tài)可以疊加在一起的條件。采用這種激勵(lì)方式時(shí),在振子上同時(shí)激勵(lì)出兩個(gè)不同頻率的彎曲振動(dòng)模態(tài)。振子表面接觸點(diǎn)在振

4、子和動(dòng)子接觸面的切向和法向的振動(dòng)分別是由兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)的分量疊加而成,因此可以獲得較大的振動(dòng)強(qiáng)度,振子可以對(duì)動(dòng)子做更多的功。通過對(duì)壓電振子表面的銀電極進(jìn)行分區(qū),選擇不同的分區(qū)來分別激勵(lì)各個(gè)模態(tài),可以使每個(gè)模態(tài)都能同時(shí)獲得較大的振動(dòng)幅值。根據(jù)理論分析,成功地制作了采用雙頻模態(tài)疊加激勵(lì)的矩形板超聲電機(jī),并測(cè)量了該電機(jī)的輸出特性,證明了該激勵(lì)方法的有效性。
　　2.提出了一種基于遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和有限元算法的超聲電機(jī)工作模態(tài)頻率一致性的

5、自動(dòng)調(diào)節(jié)方法。該調(diào)節(jié)方法將壓電陶瓷和金屬基體組成的復(fù)合壓電振子作為研究對(duì)象,用有限元方法建立了復(fù)合壓電振子的機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型,更準(zhǔn)確地描述了壓電振子的機(jī)電耦合現(xiàn)象。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)ANSYS輸出結(jié)果中的目標(biāo)模態(tài)進(jìn)行識(shí)別,減少了人工干預(yù),可以實(shí)現(xiàn)矩形板超聲電機(jī)縱、彎模態(tài)頻率一致性的自動(dòng)調(diào)節(jié),能大大加快求解過程,提高求解精度。計(jì)算結(jié)果顯示,采用該調(diào)節(jié)方法,可以使矩形板超聲電機(jī)的縱、彎模態(tài)的頻率差計(jì)算值減小至1.146Hz。
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6、.提出了一種將人工免疫算法和有限元算法相結(jié)合的確定矩形板超聲電機(jī)振子的最佳激勵(lì)區(qū)域的方法。該方法將快速、高效的人工免疫算法應(yīng)用到超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)中,可大幅節(jié)約計(jì)算時(shí)間。該方法將振子對(duì)動(dòng)子做的功作為解的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),而不是只考慮振子在某個(gè)方向的位移作為目標(biāo)函數(shù),使計(jì)算結(jié)果更能接近超聲電機(jī)的實(shí)際工作情況。計(jì)算結(jié)果表明,使用該方法確定超聲電機(jī)的最佳激勵(lì)位置及最佳激勵(lì)電極面積,算法可以快速地收斂到全局最優(yōu)解。對(duì)兩個(gè)振子,包括五種激勵(lì)情況下的無負(fù)載轉(zhuǎn)速