论文总字数：22730字

摘 要

超声波电机利用压电陶瓷材料的逆压电效应将电能转化为机械能驱动电机转子旋转。超声波电机定子为一包含压电陶瓷的压电振动体，需要采用两相互差90°的正余弦电压激励。随着超声波电机技术的飞快发展，研究超声波电机的驱动控制技术越来越重要，而目前常用的超声波电机的驱动器体积较大，不适用于有些对控制器体积要求较高的场合，研究小型化、高效率的驱动电源具有非常重要的意义。

基于上述背景，本文在传统的LC谐振驱动电路的基础上提出了一种超声波电机谐振升压驱动电路。

本论文主要工作内容如下：  

首先详细研究超声波电机原理，并在此基础之上对超声波电机的发展情况，工作原理，以及分类和应用进行了介绍。其次阅读了国内外的相关研究成果文献的超声波电机驱动控制电路的相关内容，分析对比了几种常见的超声波电机驱动器的工作原理以及其各自的优缺点。进而设计了一套超声波电机谐振升压驱动电路，并对其工作原理进行了详细的分析。最后计算了作为本文研究对象的两款不同的超声波电机的电学模型，将驱动电路带上这两种不同的电机负载分别进行了仿真，并且对驱动频率、Boost升压电路的占空比以及超声波电机负载自身参数的变化对电路输出性能的影响进行仿真。

关键词：超声波电机，驱动控制，Boost升压，谐振驱动

Abstract

The inverse piezoelectric effect of piezoelectric ceramics is used to convert electrical energy into mechanical energy to drive the motor rotor to rotate. The stator of the ultrasonic motor is a piezoelectric vibrator with piezoelectric ceramics. It needs to be excited by sine-cosine voltage with 90 degrees difference between each other. With the rapid development of the ultrasonic motor technology, it is more and more important to study the driving and control technology of the ultrasonic motor. At present, the commonly used ultrasonic motor drives are large in size, which is not suitable for some occasions where the volume of the controller is high. It is of great significance to study the miniaturization and high efficiency of the driving power supply.

Based on the above background, a novel driving circuit of ultrasonic motor based on Boost and LCC resonance is proposed in this paper, which is based on the traditional LC resonant driving circuit.

Firstly, the principle of ultrasonic motor is studied in detail. On this basis, the development, working principle, classification and application of ultrasonic motor are introduced. Secondly, the related contents of driving and controlling circuit of ultrasonic motor are read, and the working principle of several common ultrasonic motor drivers and their advantages and disadvantages are analyzed and compared. Then a resonant boost driving circuit of ultrasonic motor is proposed, and its working principle is analyzed in detail. Finally, two different types of ultrasonic motors are taken as the research objects, and the driving circuit is simulated. The influence of switch frequency, duty cycle and parameters of ultrasonic motor on the output performance of the circuit is analyzed.

Key words: ultrasonic motor, drive control, Boost, resonant drive

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 超声波电机概述 1

1.2.1 超声波电机的发展 1

1.2.2 超声波电机的分类 2

1.2.3 超声波电机的特点 2

1.2.4 超声波电机的应用 3

1.2.5 超声波电机的研究现状 4

1.3 超声波电机驱动电路 4

1.5 本文研究内容 6

1.5 本章小结 7

第二章 超声波电机电学模型计算 8

2.1 超声波电机的电学模型 8

2.2 超声波电机参数计算 11

2.2.1 单向步进式超声波电机 11

2.2.2 行波型超声波电机 12

2.3 本章小结 12

第三章 超声波电机驱动电路方案 14

3.1 超声波电机驱动电路的组成 14

3.1.1 超声波电机驱动电路框图 14

3.1.2 超声波电机驱动电路拓扑 14

3.2 超声波电机驱动电路的工作原理 16

3.2.1 Boost升压电路的工作原理 16

3.2.2 谐振电路的工作原理 18

3.3 超声波电机驱动电路的电压增益 20

3.4 本章小结 22

第四章 超声波电机驱动电路仿真 23

4.1 仿真内容 23

4.2 超声波电机驱动电路参数选择 23

4.2.1 Boost升压电路参数选择 23

4.2.2 谐振电路参数选择 24

4.3 超声波电机驱动电路的仿真结果和分析 24

4.3.1 Boost升压电路的仿真结果和分析 24

4.3.2 完整驱动电路的仿真结果和分析 25

4.4 本章小结 32

第五章 总结 34

参考文献 35

致 谢 37

第一章 绪论

1.1 引言

当声音的频率处在20Hz到20kHz 之间时能够被人的耳朵捕捉到^[1]，当声音的频率超过了上述频率，就属于超声波的范畴。超声波电机不同于传统电机的原理，并非利用电磁效应产生转速转矩，它既没有线圈也没有磁场，不受磁场的影响，而是基于压电材料的逆压电效应在定子弹性体表面引起超声振动，并通过定转子之间的摩擦耦合作用来直接驱动转子旋转运动或直线式移动，从而使转子获得推力输出。超声波电机具有体积小、低速下力矩大、定位精度高、响应快以及断电自锁等电磁电机所不具备的优点^[2]。近几十年来，超声波电机在光学系统、空间解释、超精密测量设备、医疗机器人这些地方大量的推广。

1.2 超声波电机概述

1.2.1 超声波电机的发展

1948年美国研究人员A. Williams和W. Brown发明了首个“压电马达”^[3]。1964年前苏联的Lavirenco采用等效电路的方法对压电陶瓷的振动进行了研究^[4]，研制出第一台旋转超声波电机。1973年，美国H.V.Barth给出了超声马达方案，前苏联也不甘落后，相继取得一些研究成果。1982年的日本，指田年生研制了两款直线型超声波电机，由此超声波电机实现了真正的突飞猛进。从那年起，日本的日立公司、佳能公司、松下电器产业等许多企业部门对此产生了兴趣，大量的超声波电机方面的专利不断涌现。日本许多大学和企业，发明了利用复合振动的新型超声波电机。1985年，日立Maxwell研究人员熊田明生发明了扭转连接型超声波电机^[5]。1992年，日本佳能发明了一种体积非常小的超声电机，在体积较小的同时还具有极低的制造成本。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：22730字