超聲電機驅動的大行程、高精度二維運動平臺關鍵技術的研究.pdf

1、精密運動平臺在顯微外科手術設備、電子隧道掃描顯微鏡、三坐標測量機等很多精密設備上都有著廣泛的應用需求。利用壓電陶瓷的逆壓電效應工作的超聲電機以其響應快、分辨率高等獨特的性能愈來愈得到精密驅動領域專家學者的重視和認可。目前，利用壓電陶瓷的靜變形來實現(xiàn)納米級定位精度的運動平臺，其行程往往只有幾十到幾百微米，而利用電磁電機和壓電作動器組合而成的宏微結合運動平臺又有著機械結構和控制系統(tǒng)復雜的缺點，因此，由具有納米級位移分辨率的超聲電機構建大行程

2、、高精度運動平臺成為前沿技術之一。
　　本文的主要工作圍繞著超聲電機驅動的大行程、高精度運動平臺的關鍵技術，進行了深入的研究，并取得以下成果:
　　(1)研究了行波型旋轉超聲電機的單周速度波動率、步距一致性的問題，提出了一種提高單周速度穩(wěn)定性的結構改進方案。理論分析認為加工和裝配誤差引起的定/轉子接觸界面上沿圓周方向的壓力不均衡是影響行波型旋轉超聲電機單周速度穩(wěn)定性、步距均勻性的主要原因之一。為此，提出一種單軸承支撐附加調心

3、結構的方案，可以使接觸界面實現(xiàn)壓力自平衡，改善接觸界面的壓力分布。實驗結果表明，空載單周相對速度波動率降低了約40.0％，波動小于±2.0％;這有利于提高運動平臺開環(huán)步進運動時步距的一致性。
　　(2)研究了行波型旋轉超聲電機的最小響應脈沖寬度和電機關斷時過沖量的大小。旋轉超聲電機的啟動/停止瞬態(tài)特性決定了其角度分辨率，進而影響絲杠平臺的位移分辨率（最小步距），影響運動平臺的定位精度。結合絲杠導程(4mm)，研究結果可以預測出超聲

4、電機驅動的絲杠平臺理論上所能達到的定位精度（0.6μm）。
　　(3)開發(fā)了行波型旋轉超聲電機驅動的二維平臺。利用直線光柵尺和編碼器兩種不同的位置反饋單元的信號作比對，分別測試了平臺的螺距不均勻誤差、回程誤差，并在搭建的基于GT-400運動控制卡的控制系統(tǒng)中對其進行了補償，將絲杠平臺的定位精度由絲杠的標稱定位精度±5μm提高至±2.5μm。
　　(4)直線超聲電機驅動的運動平臺的性能很大程度上取決于直線超聲電機的性能，而直線

5、超聲電機的性能很大程度上取決于其定子與動子（平臺）的接觸狀態(tài)，而為了減小接觸變形對定位精度的影響，本文采用高硬度摩擦材料（ZrO、AL2O3）作為摩擦副。因此，作者研究了高硬度材料摩擦副直線超聲電機定子與動子之間的接觸匹配問題，提出了“接觸頻率”的概念。通過建立高硬度摩擦副直線超聲電機的定子/動子在接觸面法向上的接觸模型并進行理論和實驗研究，得出了定子支撐彈簧剛度、預壓力、定子質心和驅動足的振幅等對接觸頻率的影響規(guī)律，探討了相關改善方法

6、。
　　(5)為了提高運動平臺的驅動單元的性能，研究了提高直線超聲電機驅動單元的推力、效率及穩(wěn)定性的途徑。提出采用多個超聲電機協(xié)同工作的“異步并聯(lián)”的方法。通過設定每個超聲電機的驅動信號之間的相位，使得不同的超聲電機定子依次交替作用于動子，以避免多個定子間相互干擾、磨損加劇和內耗增加的問題，提高了驅動單元的驅動效率，并進行了實驗驗證。
　　(6)直線電機驅動的運動平臺的位移分辨率、瞬態(tài)特性決定了直線平臺的定位精度;作者研究了

7、單足V形、雙足碟形直線超聲電機的瞬態(tài)特性及雙足蝶形直線超聲電機驅動的運動平臺的位移分辨率，分析了各種參數對位移分辨率的影響。實驗結果表明:定子從開始振動至達到穩(wěn)定振幅僅需1.7ms，關斷時間小于1ms;本文雙足直線超聲電機驅動的精密運動平臺的分辨率達到25nm。
　　(7)建立了直線超聲電機驅動的運動平臺的等效電路模型，得到了其傳遞函數。分析比較了基于MSP430單片機、DSP以及GT-400運動控制卡的各種控制器的特點，并在基于