USM45超声电机的伺服驱动器设计【2张图/25400字】【优秀机械毕业设计论文】
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usm45
超声
电机
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伺服
驱动器
设计
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优良
机械
毕业设计
论文
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-
文档包括:
说明书一份,48页,25400字左右.
任务书一份.
开题报告一份.
翻译一份.
图纸共2张:
A3-定子.dwg
A3-转子.dwg
及工艺工序卡.
USM45超声电机的伺服驱动器设计
摘要：适用于USM45超声电机驱动的需要，本文设计了一种超声电机驱动器。完成了以下工作：
（1）综述了国内外超声电机，特别超声电机驱动器技术的现状与发展；
（2）阐述了超声电机的工作原理及调速机理；
（3）提出了超声电机驱动器的一种功能组成方案，该方案通过VCO产生基频脉冲；用D触发器实现分频分相处理；利用积分比较电路调整信号占空比；用MOSFET推挽功放电路进行驱动信号放大；用LC无源网络实现电机进行滤波。
（4）完成了超声电机驱动器电路原理图设计。
（5）绘制了USM45超声电机定子、转子图，编制了定子机加工工艺。
关键词：超声电机 伺服驱动器 设计 工艺
A Servo Driver Circuit for the Ultrasonic Motor
With Diameter of 45 millimeters
Student name: Xiang Changhui Class: 050313
Supervisor: He Honglin
Abstract:In this article, an ultrasonic motor drive is designed for the need to drive the ultrasonic motor with diameter of 45 millimeters.The following works have been completed:
(1) Summary of the ultrasonic motor at home and abroad, especially the status quo and development of the ultrasonic motor drive technology.
(2) Expounded the working principle and the speed control mechanism of the ultrasonic
motor.
(3) Proposed a functional program of composition of the ultrasonic motor drives, which generated frequency pulse through the VCO and realizated sub-frequency phase with D flip-flop.Adjusted the duty cycle of the signal by the comparison of circuit integration . Push-pull amplifier circuit with MOSFET driver for blowing up the drive signal. Filter with LC passive network motor.
(4) Have completed the design of the circuit schematic diagram of the ultrasonic motor drive.
(5)The stator diagram and the rotor diagram of the USM45 ultrasonic motor have been mapped.And prepared the machining technology of the stator.
Key words：Ultrasonic Motor Servo Driver Design Craft
Signature of Supervisor:
目 录
1 绪论
1.1 国内外超声电机研究状况………………………………………………………(01)
1.2 驱动器技术研究现状……………………………………………………………(03)
1.3 伺服控制技术研究现状…………………………………………………………(04)
1.4 驱动控制技术发展趋势…………………………………………………………(06)
2 行波超声电机的结构及工作原理
2.1 行波型USM的结构…………………………………………………………….(07)
2.2 行波型超声电机的电学等效模型………………………………………………(07)
2.3 行波型超声电机的工作原理……………………………………………………(08)
2.3.1 弹性体内行波的形成……………………………………………………….....(08)
2.3.2 弹性体表面质点椭圆运动的形成………………………………………….....(09)
2.3.3 行波速度的影响因素……………………………………………………….....(11)
2.4 行波型超声电机的调速机理……………………………………………………(13)
2.4.1 调压调速…………………………………………………………………….....(13)
2.4.2 调频调速…………………………………………………………………….....(14)
2.4.3 调相调速…………………………………………………………………….....(14)
3 驱动电路的设计与实现
3.1 驱动电路的设计要求……………………………………………………………(16)
3.2 驱动器的总体方案………………………………………………………………(17)
3.3 基频方波的产生及伺服调频电路的设计………………………………………(17)
3.3.1 基频脉冲产生方式……………………………………………………….........(17)
3.3.2 RC多谐振荡器…………………………………………………………………(18)
3.3.3 555多谐振荡器………………………………………………………………...(19)
3.3.4 基于VCO的脉冲发生电路…………………………………………………...(20)
3.3.5 基于运放的脉冲发生电路……………………………………………………..(23)
3.4 分频分相及正/反转控制电路……………………………………………………(26)
3.4.1 功放驱动所需信号的时序……………………………………………………..(26)
3.4.2 基于移位寄存器的实现………………………………………………………..(27)
3.5 功放驱动信号死区设置………………………………………………………… (28)
3.5.1 死区设置的意义………………………………………………………………..(28)
3.5.2 基于D触发器实现…………………………………………………………….(29)
3.5.3 伺服调压实现…………………………………………………………………..(29)
3.6 功放驱动与逆变电路设计与实现……………………………………………….(31)
3.6.1 开关功率器件的选择…………………………………………………………..(31)
3.6.2 功率MOSFET的驱动…………………………………………………………(32)
3.6.3 功放逆变主电路………………………………………………………………..(32)
3.7 高频脉冲变压器设计…………………………………………………………….(34)
3.7.1磁芯的选择……………………………………………………………………...(35)
3.8 串电感匹配电路设计…………………………………………………………….(37)
3.9 超声电机的孤极速度反馈……………………………………………………….(39)
3.9.1 孤极速度反馈的原理…………………………………………………………..(39)
3.9.2 孤极速度反馈技术的实现……………………………………………………..(40)
3.10 本章小结………………………………………………………………………...(40)
4 定子的加工工艺
4.1 工艺对象的分析………………………………………………………………….(41)
4.1.1工艺对象的作用………………………………………………………………...(41)
4.1.2 工艺对象材料…………………………………………………………………..(41)
4.2 定子的工艺分析………………………………………………………………….(41)
4.2.1 工艺要求………………………………………………………………………..(41)
4.2.2 工艺加工分析…………………………………………………………………..(42)
4.2.3 制定工艺路线…………………………………………………………………..(42)
5 结论与展望
5.1 结论……………………………………………………………………………….(44)
5.2 进一步研究的展望……………………………………………………………….(44)
参考文献……………………………………………………………..(46)
致 谢……………………………………………………………..(47)
附 录……………………………………………………………..(48)
毕业设计（论文）任务书
I、毕业设计(论文)题目：USM45超声电机的伺服驱动器设计
II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：
行波超声电机的运转离不开专门驱动电源。本课题旨在设计出可用于USM45超声电
机伺驱动（调速的）的、能输出两路频率处在超声频域、时间相位差为900的具有一定功
率的正弦波信号的电机驱动电源。技术条件及设计要求如下：、
（1）驱动器采用直流电源供电，电源电压15~24V；
（2）输出两路功率信号：其中一路为正弦信号（类似），另一路为余弦信号（类似）。
（3）驱动器的输出电流 ；
（4）输出正弦信号的频率：38kHz~45kHz内连续可调；
（5）电机的启停方式：高、低电平；
III、毕 业设计(论文)工作内容及完成时间：
1. 熟悉超声电机原理及Protel软件的使用，撰写开题报告； 2.16－3.08 3周 3.26－4.8
2. 外文文献资料阅读与翻译（6000字符以上）； 3.09－3.15 1周
3. 构思驱动器的总体方案； 3.16－3.29 2周
4. 进行电路原理图设计和计算； 3.30－4.12 2周
5. 绘制驱动器电路图； 4.13－5.10 4周
6. 绘制USM45定子工作图、编制定子加工工艺 5.11－5.24 2周
7. 撰写毕业论文 5.25－6.14 3周
8. 毕业答辩 6.15－6.19 1周
Ⅳ 、主 要参考资料：
[1] 胡敏强，金龙，顾菊平. 超声波电机的原理与设计，北京：科学出版社，2005
[2] 赵淳生. 超声波电机技术及应用.北京：科学技术出版社，2007
[3] 贺红林. 超声电机及其在机器人上的应用研究. 南京航空航天大学博士学位论文，2006.11
[4] 李华峰. 超声电机的驱动器研究. 南京航空航天大学博士后出站报告，2004
[5] 尹燕丽. 超声马达及其驱动控制系统. 洛阳工学院硕士学位论文，2004
[6] 石斌. 环形行波超声马达及其驱动控制的研究. 东南大学博士学位论文，2001
[7] Gungor Bal. A digitally controlled drive system for traveling wave ultrasonic motor. Turk.J Elec. Engin.,VOL.11,2003
- 内容简介：
-
基于 陈建祥 机电工程，国立清华大学，新竹 30043，中华民国 收到 2000 年 9 月 12 日；接受 2001 年 3 月 1 日 摘要： 大部分工业应用的驱动电动机， 其中电磁转矩基于能量转换电路磁场 最 后转换 成机械能源。 它 的主要缺点这种类型的电动马达的最高的效率总是发生在高速区域和低输出扭矩，因此，它们是不够的 ， 许多应用程序在高输出扭矩在低转速是必要的。 超声电机（超声波马达），另一方面是由超声波诱导动议而直接接触定子和转子之间的大小从而可紧凑，它们可以提供固有 节奏，并且制动 时平稳。 驾驶频率远远 超出了人类的听觉频率和操作相对平静 。 一些研究表明其可行性使用个人电脑或微机控制 。 为了加强它的应用，我们已制定并实施了超声波马达伺 服驱动器使用现场可编程阵列（ 实验结果表明，其具有实施的可行性。 2002 年埃尔塞维尔科技有限公司 一、导言 快速定位装置，精度高，已广泛应用于许多工业应用。毫无疑问，在今后几十年 ，追求超高精度仍将 是一个 非常活跃的研究课题。 最常用的传动装置是电磁 型，如直流电动机和交流电动机。其中，由于扭矩或高速的特点，变速箱必须保持较高的驱动力矩。 间 隙 是 不可避免 的 ，就难以实现高度 的准确性 。 直接驱动的概念已被用来缓解这一问题，也很复杂 的 控制算法的开发，以应付大变化系统参数，如负载惯量，这也意味着，电磁马达仍在受到它的低效率运作，低转速范围 。 另 一种电磁马达，超声波马达是在年首次提出。一个典型的环形行波超声马达的驱动如图所示。 它提供了在低转速范围内能产生更高的功率密度和更高的扭矩 。 超声波马达的工作原理可以被视为通过它们之间的摩擦力 产生 能源转换中振动的旋转介质 。根 据振动波传播的类型 ， 超声波马达可分为两类，驻波和行波 。 驻波型超声波电机是前行波型 。然而，行波型 在 工业应用 最为广泛 ，因为 它在低转速 时 高扭矩， 由 摩擦力 形成 大扭矩，灵活自由的形式，紧凑的尺寸和超低磁场噪声 。 此外，转子低惯量给予 一个 快速针对这一问题能够被精确控制的驱动器电子产品。 来自几个研究的最新报告已经证明了超声波马达在某些特殊应用 中 发挥 着 重要作用 。 然而，由于超声波马达 高度非线性 的 特点，驱动程序设计成为要么过于简化，以实现高性能 ； 或过于复杂， 以 达到工业水平的应 用。 一些研究报告说，它们成功地执行超声波马达驱动器使用的个人电脑或微机使用非常复杂的算法 。 为 提高其灵活 性，在实际应用中，可编程逻辑单元的形式即现场可编程门阵列（ 是 用来显示的灵活性，这个执行的高度非线性系统 即 伺服驱动器的超声波马达。 可编程逻辑单元可以被界定为设备配置逻辑和触发器是联系在一起的可编程互连，而存储单元是用来指定函数的逻辑，以及如何进行的各种功能是相互关联的 。 各种设备可能使用不同的结构，但都是基于这一基本思想。在过去， 由于 它 的执行能力及其能力的互连，应用可编程逻辑器件（）已不限于简单的逻辑。最近，专业人员已经开始考虑在实验室中实际发生之前，是否利用 行自己 特定的应用集成芯片（专用集成电路） 予于取代 。一些条款在电机控制领域的可喜的成果报告中 得 以 应用 。 在本文中，我们将使用电气等效电路设计的超声波马达的驱动电路。实验动态模型驱动系统建立起来。最后，鲁棒控制器是发达国家执行完整的设计超声波 伺服电机系统。实验证明，这种设计是一个基于 控制器，用于进一步验证实施的可行性。 图 1 环型行波超声马达 二、 超声伺服驱动系统的动态模型 在实际实现超声波马达伺服控制系统，有必要代表动态模型的超声波马达数学。然而，动态模型的超声波马达是极难来自理论的角度讲，因为它包含了许多复杂性和非线性特征，依赖于工作温度，负载转矩，适用于电压和静 态压力定子和转子之间的超声波马达 。 使用等效电路表达的超声波马达，虽然某些属性被忽略 ，但 它成为方便了解它的经营特色，并在实践中 得以 应用。此外，在驱动电路实验模型 中 ，超声波马达可以设立的目的控制器的设计 。 声波马达的等效模型 基于压电本构关系 10 ，我们有 ： F = (1) I = (2) 式 中 ： 指 电压和电流， 指 外部力量和速度的振动， =j 压电陶瓷 的 电气阻尼 ， 耦合系数 。 替代 F = 0到 式（ 1）， 和 式（ 1）和（ 2） ，得 下式 (3) 式 中 ： 压电陶瓷在静态 时 相当于定子电感占位效应 的 等效电容， 等效电容， 内损失， r 是摩擦和粘性同时影响 时 的等效电阻， 等效电阻的负载转矩。等效电路如图 2所示 。 图 2 超声波马达的等效电路 因 此 我们必须添加一个高电压的正弦波和一个电感器， 并且 联的电阻产生 的 谐振 即可 驱动超声波马达，电感 器 此，简化等效电路如图 2所示 ， 其中超声波马达可表示的同等电容并行连接电阻器。 9 图 3显示示意图的超声波电机驱动电路是基于 电机的 特征的。驱动电路包括一个提高 间隙装置 ，一个两相半桥逆变器，电压控制振荡器（ ，分相和锁定电路。该型 0， 电 压控振荡器（ 和分相电路提供了两个相位相差 为 90 的高频信号 。 两个高频交流信号是由上述集成电路集成 。通常，电机 频率作为控制变量， 其 相位差 是 固定 的 ， 为 /2。 为了调整超声波马达在特定的共振频率 下 ，串联谐振电感 如 图 3所 示 为 两相串联谐振逆变 半桥。 超声波马达 生（日本） 在 这个实验 中 使用 。 它的机械谐振频率为 运行频率为 40它的 谐振电容 ， 可衡量的惠普 4194增益相位分析仪。 因子。 然后 0被定 为 它的 谐振电感因此可以用 0= 1/ 因此，即可得出 驱动电路的谐振电感 这里，谐振电感 图 3 超声波马达驱动器的示意图 18 随着超声波马达是一种高度非线性和时变系统，难以取得有益的动态模型控制的数学描述。因此，实际获得的动力学模型实验研究。我们使用一个动态信号分析仪（惠普 - 3563 ）确定超声波电机驱动系统的频率响应。通过曲线拟合能力的分析和选择一阶极点，鲁棒控制器设计的试验可以得到 一个 传递函数。 标 准 模型的超声波马达 变为 s, (4) 也就是说，系统模型简化和线性化 为 一阶系统： (5) 其中 ， X 是输出的位置， u 是控制 力 。如果我们 将公式 (5)作为名义 公式 ， 因此就可以转化为一个更简便的公式： d = (a+ + (b+3553.7)u + d = a X + b u + ,X ,u,t), （ 6） 其中 所有的不确定性影响集中 在一组 ， ,X ,u,t)。 三、 超声波马达的鲁棒控制器设计 17 结合公式（ 4）， 如果我们期望 得到 Xd(t)轨迹，设计一个极点配置应用反馈线性化方法将 得到 下面的控制规律 ： u = - X d + ， （ 7） 其中 ， 用极点配置设计 的 控制力 ; e(t) =Xd(t)- X(t)指 跟踪误差 ； 理想的错误特征方程表示为 ： s + 0, (8) 式 中 ： 将公式（ 7）代入公式（ 6）得： e (t) + t) = (t),X (t),u(t),t), （ 9） 式 中 ： (t), X (t), u(t), t) = (a - a ) + (b - b )u(t) + d(t) 是指作为极点配置的设计的扰动 。 因此， 公式（ 8） 导致了理想的错误动态描述 e (t) + t) = 0 (10) 提供的外部干扰 因素 d(t),a ， b 。然而， 由于 存在不确定性因素，并由此可能造成一个不利影响 且 偏离理想的错误动态。因此，我们的目标涉及到提出控制律，以补偿这些扰动，例如，该系统所代表的理想误差动力学方程 式（ 10）。 一计划估计扰动 为了弥补不良扰动，与极点配置控制器估计扰动 。将公式（ 7） 修改 成： u(t)=t)+t), (11) 式 中 ： t)指 利用极点配置设计 的 控制力 ； t)是将被定义 的 扰动补偿 。 一个 具有明确微扰表示 的 方程可利用 式（ 7）和式（ 10） 所提出的控制法 得到： X (t) = X d(t) + t) + b t) + (t),X (t),u(t),t), (12) 从理论上说， t) 应等于 (t),X (t),u(t),t)/b ， 从而 代替 了扰动 方程（ 12）。由于不能通过直接测量获得扰动， 因此利用 估算 来 计算这个扰动 的 补偿部分。微扰估算的依据是 使用 一步落后计划估计扰动，其中 将 微扰 代入 动态预分配功能 (t)， 这里 (t)=e(t)，而 估计微扰可以在网上 用一个 任期计算不同的预先指定的功能 。从（ 17） ,我们可以得到 t) t) = upc(t) + t), (13) upc(t) = t)(+ (0= ( (t) (14) ) = 0 -b t) = 0, /t)/ M -b t) = t) (t),/t)/ M (15) 式 中 ： m = e(s)； 图 7是 控制器设计的框图 。 四、 实验验证 18 一个 基于 超声伺服电机实验系统 如 图 4 所示 。这两种驱动电路和控制算法 是由 清大 台湾伺服实验室 利用 0发板所开发 的。 该软件的设计采用了 I 软件工具 来完成 示意图捕捉 、 人电脑的奔腾 及数据分析。使用 控制算法和基本接口电路来控制 及在 实施两相谐振电路。 一个来自 馈信号 被 用来提供电路内部 的 稳定 。 编码 器 提供了一个分辨率为 3600 脉冲 的 双通道脉冲 电路 ，其中数字滤波 或信号调理模块将双通道输入脉冲转换为 4脉冲计数。因此， 其位置精度能够 扩大到 2 /(3600 4)或 )。 然后 ， 数据的位置直接反馈 到在 的 控制模块 ， 从而结束循环 。 0K 100 图 4 基于 执行 上一节提出的控制律 的如图 5所示。它 指出，参数 有的控制工作 、理想的反应和带宽的外部干扰 共同决定。 为了避免超声波电机 超过 其额定转速，上界的 果额定转速为 c0 s）。 因此 ，我们 可以得到： Xd( N 2 /(60或 N 2 /( (16) 其中， 果该命令的阶跃响应是 3438 而超声波马达的额定转速转速为 60 式（ 16），我们可以得出 为实现快速反应 ， 代的 好处是将 参数 代入式（ 7）、（ 13）、（ 14）和（ 15） 可以得到如下 简式： t) = - X d + upc(t) = t)(+ )1(p= ( (t) )=0 t) = 0; /t)/ M t) = t)+ (t)/(t)/ M u(t)=t)+ t)= t) + t) + upc(t) m = 式 中 ： 实验中控制回路的采样时间， 其 最大允许误差为 5 此， M 在这里我们 取 M = 35； 比例因子 是 防止超声电机 和 。 然后 ， 控制律进一步改写为 ： u(t) = ba x(t) + t) + t) + +p0 e(t)+)1(0kc pe(t)-e( 或 u(t)=t)+d(t)+t) + t)+ K5e(t)-e( 其中， 2 毫秒， 而 以由已知参数 确定。 必须指出，这控制法要求 进行 5次相 乘 、 2次 增减和 5次 增补 。为了 尽量 减少 们只执行 16次 乘法 、 一个多工器和利用序列控制器。因此，每个操作（加，减或乘法）需要 120 微 秒， 所以 ，整体计算需要不到 1 微 秒。而且 可以 看到， 为 确保计算的可靠，常见的做法表明，时间序列的时期应定控制器更长 。 并 且 在这本实验中，我们设定的时 间内顺序控制器等总的运算时间是在 5 微 秒（或 200 千赫兹）。如果一个并行处理结构 得以 通过 ， 更快的计算是可 以实现 的。 图 5 鲁棒控制器 在这里进行实验的目标是 用 来验证 在 各种惯性 模拟 计划 下 的鲁棒。这两个阶跃响应和正弦跟踪 被 执行。 带有 5 公斤 每 平方厘米惯性 的 转子 的卸载 （ 带有 斤 每 平方厘米 的 转子惯量）和加载条件被用来证明鲁棒性参数的变化，并探讨其抑制能力，同时遇到了大量的系统参数变化（ 10次） 。图 6和图 7分别 是在 不同的阶跃响应操作条件下 得到的。它 指出， 以选择足够小的扰动 ， 微扰 可以计算出在网上直接补偿提供保障的鲁棒伺服设计。实验结果表明，只要扭矩要求是 满足 ，并保持在可接受的范围，这两个条件 的 瞬态响应微乎其微， 并且 稳态误差可以减少在 5 即通 过 编码器是 2 /14400 图 6 无负载下的阶跃响应 ； 转子惯量 是 平方厘米 图 7转子的阶跃响应 + 负荷的惯性 = 5公斤 每 平方厘米 在 正弦命令 下的模拟 计划的有效性进一步验证， Xd(t) = 弧度 ）， 动态响应所示图 8 。实验结果还表明，拟议的计划仍然可以表现良好，跟踪误差可以减少到 或 5 低限度 ，并且 高度的稳定性是可以实现的。人们还注意到，如果采样频率是利用控制器， 那么可以获得 更高的性能 和 较高的预期，例如，该扰动可以 通过 更广泛的内容计算网上和柜台扰动频率。 图 8转子的正弦跟踪 （ z) + 负荷的惯性 = 5公斤 每 平方厘米 五、 结束语 在本文中，我们提出了超声波马达伺服驱动器伺服系统设计的程序。超声波的设计包括伺服电机驱动器驱动电路和外回路控制器。设计的驱动电路是基于等效电路模型 ，而 外 回路控制器的设计是基于一个逐步向后计划。最后，伺服设计 在 实施，以验证其可行性。实验结果进一步验证的有效性提出 了 控制器 的 其可行性 。人们注意到，控制器的结构可以扩展到其他伺服应用 系统 ， 其中 这种模块化设计概念获得肯定， 但还 需 指出，正在进行的以建立一个友好用户设计环境 的 研究，使超高速采样频率（在一系列 伺服系统 得以 建立 。一个 高性能伺服设计因此可以通过这样的设计程序 。 毕业设计（论文）任务书 I、毕业设计 (论文 )题目： 伺服驱动器 设计 业设计 (论文 )使用的原始资料 (数据 )及设计技术要求： 行波超声电机的运转离不开专门驱动电源。本课题旨在设计出可用于 机伺驱动（调速的）的、能输出两路频率处在超声频域、时间相位差为 900的具有一定功 率的正弦波信号的电机驱动电源。技术条件及设计要求如下：、 （ 1）驱动器采用直流电源供电，电源电压 1524V； （ 2）输出两路功率信号：其中一路为正弦信号（类似） ，另一路为余弦信号（类似）。 （ 3）驱动器的输出电流 ； （ 4）输出正弦信号的频率： 385 （ 5）电机的启停方式：高、低电平； 业设计 (论文 )工作内容及完成时间： 1. 熟悉超声电机原理及 写开题报告； 3周 . 外文文献资料阅读与翻译（ 6000字符以上）； 1周 3. 构思 驱动器的总体方案； 2周 4. 进行电路原理图设计和计算； 2周 5. 绘制驱动器电路图； 4周 6. 绘制 制定子加工工艺 2周 7. 撰写毕业论文 3周 8. 毕业答辩 1周 、主 要参考资料： 1 胡敏强，金龙，顾菊平 . 超声波电机的原理与设计，北京：科学出版社， 2005 2 赵淳生 . 超声波电机技术及应用 学技术出版社， 2007 3 贺红林 . 超声电机及其在机器人上的应用研究 . 南京航空航天大学博士学位论 文， 4 李华峰 . 超声电机的驱动器研究 . 南京航空航天大学博士后出站报告， 2004 5 尹燕丽 . 超声马达及其驱动控制系统 . 洛阳工学院硕士学位论文， 2004 6 石斌 . 环形行波超声马达及其驱动控制的研究 . 东南大学博士学位论文， 2001 7 A J 003 航空与机械工程 学院 机械设计制造及其自动化 专业类 050313 班 学生（签名）： 项长辉 日期： 自 2009 年 2 月 16 日至 2009 年 6 月 19 日 指导教师（签名）： 助理指导教师 (并指出所负责的部分 )： 机 械设计 系（室） 主任（签名） ： 附注 :任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。 学士学位论文原创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果 ,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 项长辉 日 期： 位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定 ，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空工业学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 项长辉 日期： 师签名： 日期： 毕业设计（论文） 题目： 声电机的伺服驱动器设计 院 ( 系 ) 航空与机械工程学院 专 业名称 机械设计制造及其自动化 班级学号 05031325 学生姓名 项 长 辉 指导教师 贺 红 林 二 O 一二 年 六 月 毕业设计（论文）开题报告 题目 声电机的伺服驱动器设计 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 05031325 学 生 姓 名 项 长 辉 指 导 教 师 贺 红 林 填 表 日 期 2009 年 03 月 08 日 说 明 开题报告应结合自己课题而作，一般包括：课题依 据及课题的意义、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）、研究内容及实验方案、目标、主要特色及工作进度、参考文献等内容。 以下填写内容 各专业 可根据具体情况适当 修改 。 但每个专业填写内容应保持一致。 一、选题的依据及意义 : 伺服系统是应用领域非常广泛的一类系统，它的根本任务就是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，当给定量随机变化时，系统能使被控制量准确无误地跟随并复现给定伺服系统的具体应用如表 伺服系统在机械制造行业中用的最广泛，各种机床运动部分的速度控制、运动轨迹控制、位置控制等， 动的依靠各种伺服系统控制的。他们不仅能完成转动控制、直线运动控制，而且能依靠多套伺服系统的配合，完成复杂的空间曲线运动的控制，如仿型机床的控制、机器人手臂关节的运动控制等。他们可以完成的运动控制精度高，速度快，远非一般人工操作所能达到。 表 伺服系统的主要应用领域 加 工 机 械 械 医疗 机械 机器人 半导体 制 造 软 件 组 装 自 动 组装线 纺 织 机 械 加工机 械 铣 床 车 床 磨 床 食品加工 食品包装 搬运机械 印刷机械 备 人造器 官 弧 焊 机器人 搬 运 机器人 喷 涂 机器人 晶片机 械 学气象沉积）设备 芯片安 装 插装机 降撞机 自 动 生产线 纺织机 纺织设 备 二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）： 直流伺服系统和交流伺服系统在 19世纪中叶先后产生，在 20世纪大部分年代里，约占整个伺服系统容量 80%的不调速传动都采用交流电机，只有 20%的高性能可调速传动采用直流电机，这似乎是举世公认的格局。主要原因是直流电机具有解祸特性，其控制方法简便，所以率先得到了发展，但这种格局终于在近 20 多年里被打破，受直流伺服电机机械结构复杂、维护工作量大等缺陷的影响，其发展受到了开始受到很大限制。直流电机在运行过程中，转子容易发热，从而会影响与其连接的其他机械设备的精度，它不适全用于高速及大容量的场合，直流伺服电机机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过载荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以交流伺服系统在工厂自动化等各个领域得到了广泛的应用。从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐 渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度高、速度快、使用方便的交流伺服产品己经成为市场的主体。目前，数字化交流伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求越来越高。但是，尽管交流伺服电机技术突飞猛进， 直流伺服电机因其 具有响应快、低速平稳性好、调速范围宽等特点， 在 精密调速和位置控制 占有重要的地位 ， 它依然 在工业、国防和民用等 众多 领域内得到广泛应用，特别是在火炮稳定系统、舰载平台、雷达天线、机器人控制等 发挥重要作用。换句话说， 尽管交流伺服电机的发展相当迅速，但 许多领域内直流电机发 挥着交流电机不可替代的作用。 服驱动的研究概况 由于伺服系统在机电设备中具有极其重要的地位，下面简单谈谈其研究概况： （ 1）直流伺服系统 伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（ 服系统和交流（ 服系统。 50 年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。 70 年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。 （ 2）交流伺服系统 从 70 年代后期到 80 年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永 磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术 交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。 交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类 :永磁同步（ 动机交流伺服系统和感应式异步（ ）电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度 提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。 系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型异步电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块 进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置 和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于 安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流用比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点。 （ 3）交直流 伺服系统的比较 直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。 交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以交流伺服系统在工厂自动化（ 各个领域得到了广泛的应用。 从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品 正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产品。 服驱动系统发展总趋势 从前面的讨论可以看出，数字化交流伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求越来越高。从目前的情况来看，伺服驱动系统将朝着以下几个方面发展： （ 1） 进一步的交流化 伺服技术将继续迅速地由 服系统转向 服系统。从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是 服系统。在工业发达国家， 服电机的 市场占有率已经超过 80%。在国内 生产 服电机的厂家也越来越多，正在逐步地超过生产 服电机的厂家。可以预见，在不远的将来，除了在某些微型电机领域之外， 服电机将完全取代 服电机。 （ 2）全方位的数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机（ 伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法（如 :最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）成为可能。 （ 3）采用新型电力电子半导体器件 目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管（ 功率场效应管（ 绝缘门极晶体管（ 。这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块（ 称 这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与 号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。 （ 4）系统高度集成化 新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器 构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。 （ 5）控制智能化 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面 :首先他们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用起来十分方便 ;其次它们都具有故 障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性 ;除以上特点之外，有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。 （ 6）模块化和网络化 在国外，以工业局域网技术为基础的工厂 自动化（ 称 程技术在最近十年来得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口（如 口等）和专用的局域网接口。这些接口的设置，显著地增强了伺服单元与其它控制设备间的互联能力，从而与 统间的连接也由此变得十分简单，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。也可以通过串行接口，与可编程控制器（ 数控模块相连。 综上所述，伺服系 统将向两个大方向发展。一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等。另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品 伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。 三、研究内容及实验方案 : 研究内容 : 行波电机驱动模型 本文研究的对象是超声电机的伺服驱动调 速系统，主要的任务是设计出控制系统模型和伺服驱动器，并且在 境下模拟仿真。用不同的系数代入模型中，观察在不同的扰动信号作用下所产生的图形，记下满足题目要求的参数组。 本文的重点是伺服驱动器的设计计算，并且用 制驱动电路图。 实验方案 ： 本课题的实验方案是在满足如下技术要求的前提下进行实验。实验时，用不同的系数代入模型中，以观察在不同的扰动信号作用下所产生的图形，记下满足题目要求的参数组。 （ 1） 驱动器采用直流电源供电，电源电压 1524V； （ 2） 输出两路功率信号：其 中一路为正弦信号（类似），另一路为余弦信号 （类似）； （ 3） 驱动器的输出电流 ； （ 4） 输出正弦信号的频率： 385连续可调； （ 5） 电机的启停方式：高、低电平 。 四、目标、主要特色及工作进度 : 目标： 本课题旨在设计出可用于 声电机伺服驱动（调速的）的、能输出两路频率处在超声频域、时间相位差为 90 的具有一定功率的正弦波信号的电机驱动电源。 主要特色 ： 声电机的伺服驱动器是利用 直流速度伺服系统，通过调节输出信号的频率来实现调速，即变频驱动。 声电机的 伺服驱动器还具有以下主要特色： 1、 根据负载惯重的变化，与自适应滤波器配合，从低刚性到高刚性都可以高性能的实时自动调整； 2、 具备异常速度检测功能，因此可以将增益调整过程中产生的异常速度调整到正常； 3、 内置有瞬时速度观测器，可以高速、高分辩率地检测出电机的转速； 4、 内置自适应滤波器，可以根据机械共振频率不同而自动地调整陷波滤波器的 频率。 工作进度： 1、 熟悉超声电机原理及 件的使用，撰写开题报告 3 周 2、 外文文献资料阅读与翻译（ 6000 字符以上）； 1 周 3、 构思驱动器的总体方案； 2 周 4、 进行电路原理图设计和计算； 2 周 5、 绘制驱动器电路图； 4 周 6、 绘制 子工作图、编制定子加工工艺 2 周 7、 撰写毕业论文 3 周 8、 毕业答辩 1 周 五、参考文献 1 胡敏强，金龙 . 超声波电机的原理与设计，北京：科学出版社， 2005 2 赵淳生 . 超声波电机技术及其应用，北京：科学技术出版社， 2007 3 尹燕丽 . 超声马达及其驱动控制系统 . 洛阳工学院硕士学位论文， 2004 4 贺红林 . 超声电机及其在机器人上的应用研究 . 南京航空航天大学博士学位论文， 5 石斌 . 环形行波超声马达及其驱动控制的研究 . 东南大学博士学位论文， 2001 6 of of in of 003(38):143学生姓名： 项长辉 班级： 050313 指导老师： 贺红林 摘要： 适用于 声电机驱动的需要，本文设计了一种超声电机驱动器。完成了以下工作： （ 1） 综述 了 国内外超声 电机 ，特别超声电机驱动器技术的现状与发展； （ 2） 阐述了超声电机的工作原理及调速机理； （ 3） 提出了超声电机驱动器的一种功能组成方案，该方案通过 用 积分比较电路调整信号占空比；用 进行滤波。 （ 4） 完成了 超声电机驱动器电路 原理 图 设计 。 （ 5） 绘制 了 子、转子图， 编制了 定子 机加工 工艺。 关键词： 超声电机 伺服 驱动器 设计 工艺 指导老师签名： A 5 050313 n an is to 5 (1) of at of (2) of (3) a of of CO of by of up C (4) of of (5)of of 目 录 1 绪论 内外超声 电机研究状况 (01) 动 器 技术 研究现状 (03) 服控制技术 研究现状 (04) 动控制技术 发展趋势 (06) 2 行波超声电机的结构及工作原理 波型 .(07) 波型超声电机的电 学等效模型 (07) 波型 超声电机 的 工作原理 (08) 性体内行波的形成 .(08) 性体表面质点椭圆运动的形成 .(09) 波速度的影响因素 .(11) 波型超声电机的调速机理 (13) 压调速 .(13) 频调速 .(14) 相调速 .(14) 3 驱动电路 的设计与实现 动电路 的 设计要求 (16) 动器的总体 方案 (17) 频方波的产生及伺服调频电路的 设计 (17) 频脉冲产生 方式 .(17) (18) 55多谐振荡器 .(19) 于 .(20) 于运放的脉冲发生电路 .(23) 频分相及正 /反转控制电路 (26) 放驱动所需信号的时序 .(26) 于移位寄存器的实现 .(27) 放驱动信号死区设置 (28) 区设置的意义 .(28) 于 .(29) 服调压 实现 .(29) 放驱动与逆变电路设计与实现 .(31) 关功率器件的选择 .(31) 率 (32) 放逆变主电路 .(32) 频脉冲变压器设计 .(34) .(35) 电感匹配电路设计 .(37) 声电机的孤极速度反馈 .(39) 极速度反馈的原理 .(39) 极速度反馈技术的实现 .(40) 章小结 .(40) 4 定子的加工工艺 艺对象 的分析 .(41) .(41) 艺对象材料 .(41) 子 的工艺分析 .(41) 艺要求 .(41) 艺加工分析 .(42) 定工艺路线 .(42) 5 结论与展望 论 .(44) 一步研究 的展望 .(44) 参考文献 .(46) 致 谢 .(47) 附 录 .(48) 英文资料翻译 题目 U S M 4 5 超声电机的伺服驱动器设计 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 0 5 0 3 1 3 25 学 生 姓 名 项长辉 指 导 教 师 贺红林 2 0 0 8 年 1 2 月 2 5 日 of an 0043, 2 000; 001 by in is on to to of of is in in at is on is by be is so is or To we a of 【 2002 1. in be a to of C C in to to is it to a of to to of in at 1. An to 982 2. A of SM is 1. It in of SM be as of a to to of of SM be 10. SM is in of at in 3,4,10. is a is of by up to 59, SM to an in to of to or to of in SM or ,7,11 14. To in in of a to of on a SM 1. A be as a to on In of to to of 15,16. to to to in an to in of in 18 22. In we of SM to An of is a is to a an In a is to of 2. of n of a it is to of SM of SM is to a of it on 3. By an SM,it in 6,7, an of SM be of he of on 10, we = (1) I = (2) F v of a =j is Z is of is of =0 q.(1), (1) 2), we 3) d is of in Lm is of of Cm is of of r0 is of of Rf is of Rr is of of RL is of is we a of an r, in to a to m is a is 2 in SM be by an in a he 9 KT of of SM is on of of a a a C DC a DC 0, CO 0 C by is as is /2. In to SM at a a is in of A is in 9.7 0 45 be by a 194A of cd 0 9.7 be by 0= 1/ r,of r = mH, of SM he 18 As SM is a it
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