由于超声电机压电材料、摩擦材料、接触界面的非线性, 速度平稳性和位置控制精度不高, 这在一定程度上制约了它在高端精密装备中的应用。本文介绍了一种实现超声电机速度、位置高精度控制的方法。从连续运动与步进运动两个维度分析了超声电机的速度调控机理, 阐明了速度波动的误差来源, 建立了以幅值、频率为输入量, 融合稳态环节与动态环节的速度模型。为了准确预测步进位移量, 建立并辨识了启动-关断两段式二阶速度模型; 接着采用双环复合控制算法实现了高平稳性速度控制, 并通过驱动参数优化实现了电机的高分辨率位置控制。最后, 运用分段逼近策略实现了高精度定位。实验结果表明, 在速度控制方面, 采用双环复合方法控制的速度平稳性为0.44%, 相比单速度环的控制效果提升了一倍; 在位置控制方面, 超声电机的开环位置分辨率达到了0.375 μrad, 定位精度达到了1.7 μrad。本文提出的控制方法综合了不同参数及不同环路的调控特点, 有效提高了超声电机的速度与位置控制精度, 为超声电机在精密装备中的拓展应用奠定了基础。

预压力是保证超声电机定转子摩擦驱动的关键因素, 开展预压力特性分析及优化方法研究对于提升电机性能及使用寿命具有重要意义。本文通过仿真分析了预压力对接触角及驱动区占比的影响,实验测试了预压力变化时的速度波动规律,并绘制了在不同预压力和转矩下的速度与效率曲面; 借助编码器与薄膜温度传感器获取了不同预压力条件下电机工作200 s的速度与定子界面温度的变化过程。综合上述分析结果, 提出了一种面对不同应用场合的预压力优化准则, 确定了预压力的理想工作区间。实验结果表明, 伴随着预压力的增长, 接触区与驱动区同步扩展, 同时驱动区占比逐步减小, 在一定程度上能减小速度波动, 电机最大效率点逐渐向大转矩方向移动, 且机械效率在某个预压力下存在最高值, 而界面温升则呈现先增大、后减小再增大的趋势。根据所提出的优化准则确定出TRUM60A型超声电机预压力较为理想的工作区间为260~320 N, 在该预压力范围内, 超声电机既能较好地满足低速稳定、温升小的要求, 又能使制动力矩和机械效率达到理想范围。

为了克服传统超声电机测控系统参数调控不灵活、特性测试分析不全面、控制算法效率低等问题, 本文介绍了一种能对超声电机主要机电参数进行测量和控制的实验系统。依据超声电机参数特点与输入输出特性提出了测控系统总体方案。针对变预压力特性与温度特性难以快速获取的问题, 设计了以电动缸为出力源的预压力施加装置和以薄膜热电阻为敏感源的界面温度采集装置; 针对高频激励信号难以灵活产生和实时采集的困难, 设计了多参数可调的驱动与采集电路; 针对电机特性测控低效、过程不够规范的问题, 形成了标准化测控流程, 尤其是提出了能够精细化分析瞬态特性的同步采集和控制流程。测试结果表明, 本系统覆盖了超声电机主要的8项控制参数与13项状态参数, 能够实现控制参数的在线精确调控与状态参数的快速测量, 测试效率较传统的超声电机测控系统提高了30%, 为超声电机的动力学建模、特性评估及运动控制算法研究提供了较为完善的测控手段。