● 摘要
超声马达是一种借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力的驱动机构。由于它具有许多独特的性能，如很高的功率密度、低速大转矩、响应快、控制性能好、能断电自锁、与磁场无缘、噪声小等优点，使其具有很大的应用范围。但仍有许多有关其性能的理论问题尚未解决，未建立起系统的设计理论及设计方法，并且超声马达在实际工作时，定子在电源长时间的驱动下会产生升温，因而定子的共振频率会产生漂移；目前，存在的主要问题是驱动电源的输出效率普遍偏低，超声马达的控制模型设计中影响因素多，精确而又全面的考虑各种因素使问题变得很复杂。作为控制驱动元件缺乏必要的控制模型，无疑将阻碍其在许多领域的广泛应用，因此研究超声马达控制系统将是迫切和必要的。 为了稳定的驱动马达，驱动电源有必要自动的跟踪频率变化。而传统的控制局限于调频、调相、调压及调幅。变频方式具有启动缓慢，频率的可调区非常有限，须在谐振点附近；而变相位差控制方式在谐振点附近不及变频法响应灵敏、调节精度高。 鉴于以上分析本文应用了变频、调相相结合的方式，达到了一定的要求，且具有调节响应较快、控制系统实现简单和调节精度高的优点。 1.对圆环形薄板的固有振动进行了分析，得到其固有频率的理论表达式，进一步分析了摩擦材料对马达性能的影响，提出了摩擦副的选用标准。 2.在深入分析行波超声马达定转子接触面二维弹性接触模型、等效电路模型的基础上，建立了一种行波型超声马达的设计方法。 3.采取了变频、调相相结合的速度调节方法，考虑到超声马达通常用于谐振点附近，因此，以变频调速为主，当需要较大调节范围时，可切换到变相位差调节方式，满足调节范围要求。整个系统以8051为中央控制单元，辅以多种外围接口芯片，简单、方便的实现了速度调节功能、变频、调相选择功能。 4.分析比较了线性电源和开关电源，引出了本系统所采取的电源方案，并给出了驱动电源的系统框图。 5.用ANSYS对所设计的马达进行了仿真研究，并设计了测试马达性能的实验，分析了压电陶瓷片对马达定子的影响，得出了马达定子的压电陶瓷片对其固有频率影响较小的结论，仿真结果与理论计算结果基本吻合。 本文利用超声马达的面接触模型、等效电路模型等所提出的超声马达设计方法，将给设计者带来一定的帮助，对马达的设计具有一定的指导意义；本系统所采用的控制方式，通过理论上的分析，能稳定的驱动和控制马达的运行，达到所需的要求，具有继续研究下去的价值。