超声波电机(Ultrasonic motors，简称USM)是一种全新原理的直接驱动电机，它利用压电陶瓷逆压电效应激发的超声振动作为驱动力，通过定转子间的摩擦力来驱动转子运动。与传统的电磁电机相比，它具有低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、运行无噪声、无输入自锁等卓越特性，在非连续运动领域、精密控制领域比传统的电磁电机性能优越得多。超声波电机在工业控制系统、汽车专用电器、精密仪器仪表、办公自动化设备、智能机器人等领域有广阔的应用前景，近年来倍受科技界和工业界的重视，成为当前机电控制领域的一个研究热点。 本文主要以行波型超声波电机的驱动控制技术为研究对象，引入嵌入式系统理念，设计并制作了超声波电机的驱动控制系统，并对超声波电机的速度与定位控制做了深入的研究。本文主要研究内容及成果如下： 介绍了超声波电机的工作原理、特点及其应用前景，总结了国内外超声波电机驱动控制技术的发展历史和研究现状，以及今后我国超声波电机驱动控制技术的发展方向，明确了本文的研究内容。 结合嵌入式系统特点及其开发方法，详细介绍了超声波电机嵌入式驱动控制系统的硬件和软件设计过程，并总结了硬件、软件的调试过程。最后，对所设计系统性能进行了实验测试和数据分析。 采用DDS技术解决超声波电机所需要的高频驱动电源和数字控制的问题。本文设计的以ARM控制器为核心，频率、相位、幅值均可调的双通道信号发生器，具有频率和相位差控制精度高的特点。 本文介绍了速度与位置的常用控制策略。设计并搭建了基于增量式PID的速度和基于模糊PID的位置控制系统。速度控制采用增量式PID调节，其控制策略简单、易行，通过实验选择合适的参数能适应一般的控制精度要求。定位控制则采用模糊PID控制策略，该策略将模糊控制不需要精确的数学模型、收敛速度快的特点与PID简单易行、能消除稳态误差的优点相结合，改善了模糊控制器稳态性能，使电机定位控制精度达到0.0880。
上传时间： 2013-07-16
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超声波电机是一种全新原理的直接驱动电机，它利用压电陶瓷逆压电效应激发的超声振动作为驱动力，通过定转子间的摩擦力来驱动转子运动。与传统的电磁电机相比，它具有低速大转矩、无电磁干扰、动作相应快、运行无噪声、无输入自锁等卓越特性，在非连续运动领域、精密控制领域要比传统的电磁电机性能优越得多。超声波电机在工业控制系统、汽车专用电器、精密仪器仪表、办公自动化设备、智能机器人等领域有广阔的应用前景，近年来倍受科技界和工业界的重视，成为当前机电控制领域的一个研究热点。 本文主要研究了行波型超声波电机的嵌入式驱动控制系统设计。系统是基于ARM嵌入式微控芯片设计的。全文共分为6部分。第一章主要介绍了国内外超声波电机驱动控制技术在国内外的发展状况，ARM芯片的结构原理以及本课题的选题意义。第二章在前人的研究基础上做了系统仿真，为系统的硬件设计提供设计指导。第三章提出了基于ARM的超声波电机嵌入式驱动控制系统设计方案，并介绍了系统各个模块的设计与调试的过程和结果。第四章介绍了uC/OS-Ⅱ操作系统在ARM上的移植，以及基于该操作系统的电机控制系统软件设计流程。第五章介绍了系统各子程序的设计，速度控制与定位控制的算法设计，以及系统调试的结果。第六章总结了本论文的主要贡献、存在问题以及后续课题的研究方向。
上传时间： 2013-04-24
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一、传感器的定义信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(IEC:International Electrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。传感器系统的原则框图示于图1-1，进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。德国和俄罗斯学者认为传感器应是由二部分组成的，即直接感知被测量信号的敏感元件部分和初始处理信号的电路部分。按这种理解，传感器还包含了信号成形器的电路部分。传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类传感器：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源(参阅图1-2(a))。有源(a)和无源(b)传感器的信号流程无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。各种物理效应和工作机理被用于制作不同功能的传感器。传感器可以直接接触被测量对象，也可以不接触。用于传感器的工作机制和效应类型不断增加，其包含的处理过程日益完善。常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟： 光敏传感器——视觉；声敏传感器——听觉；气敏传感器——嗅觉；化学传感器——味觉；压敏、温敏、流体传感器——触觉。与当代的传感器相比，人类的感觉能力好得多，但也有一些传感器比人的感觉功能优越，例如人类没有能力感知紫外或红外线辐射，感觉不到电磁场、无色无味的气体等。对传感器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型传感器都适用的，也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需要的基本要求是： 高灵敏度，抗干扰的稳定性(对噪声不敏感)，线性，容易调节(校准简易)，高精度，高可靠性，无迟滞性，工作寿命长(耐用性) ，可重复性，抗老化，高响应速率，抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力 ，选择性，安全性(传感器应是无污染的)，互换性 低成本 ，宽测量范围，小尺寸、重量轻和高强度，宽工作温度范围 。二、传感器的分类可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。常见传感器的应用领域和工作原理列于表1.1。按照其用途，传感器可分类为： 压力敏和力敏传感器 ，位置传感器 ， 液面传感器 能耗传感器 ，速度传感器 ，热敏传感器，加速度传感器，射线辐射传感器 ，振动传感器，湿敏传感器 ，磁敏传感器，气敏传感器，真空度传感器，生物传感器等。以其输出信号为标准可将传感器分为： 模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。
上传时间： 2013-10-10
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水声换能器是利用晶体（石英或酒石酸钾钠）压电陶瓷（钛酸钡和锆钛酸铅等）的压电效应或铁镍合金的磁致伸缩效应来进行工作的。所谓压电效应，就是把晶体按一定方向切成薄片，并在晶体薄片上施加压力，在它的两端面上会分别产生正电荷和负电荷。反之在晶体博片上施加拉伸力时，它的两个端面上就会产生与加压力时相反的电荷。
标签： 换能器
上传时间： 2013-10-09
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超声电机是一种全新概念的新型电机，它利用压电材料的逆压电效应，使定子表面产生一定轨迹的微米量级的振动，进而通过摩擦耦合将振动动能转换成转子或滑块的宏观运动（转动或平动）动能，文章探究了在不同予应力的作用下电机的频率、相位对转速的影响。该研究为超声电机转速的控制提供了理论依据。
上传时间： 2013-11-04
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超声波电机利用压电陶瓷的逆压电效应，将电能转变为机械振动，再通过摩擦作用将机械振动转变为电机的旋转（直线）运动，进而驱动负载。压电陶瓷作为超声波电机的振动发生器件，其性能的优劣直接影响到电机的输出性能。本文采用传统的固相反应法制备P-41和PMnS-PZN-PZT压电陶瓷，研究压电阿瓷在行被型超声波电机中的应用及压电性能对电机性能的影响.研究了P41和PMns-PZN-PZT压电陶瓷材料的结构、性能、频率温度稳定性及极化方式对压电陶瓷性能的影响。结果表明，这两种材料都具有较好的介电温度稳定性，P41具有明显的铁电体相变特点，PMns-PZN-PZT具有她豫-铁电体相变特点。采用同时同向一次极化工艺改善了二次极化工艺所遗留的各极化区域ds不均匀、分区界面应力的存在导致的性能不稳定性，同时缩短了极化时间，提高了超声波电机的输出性能.P-41陶的极化采件为3kV/mm，120 ℃极化15 min，PMnS-PZN-PZT陶瓷的极化条件为3.5 kV/mm.140℃极化15 min.研究了P-41和PMnS-PZN-PZT压电陶瓷的性能与超声波电机性能的相关性，探讨了电机的导纳、负载、启动与关断和温度特性。结果表明，电机具有较好的瞬态特性，启动时间ams，关断时间<l ms.采用P-41压电陶瓷电机的启动与关断速度比PMnS-PZIN-PZT压电陶登电机的快，与P41压电陶瓷具有非弛豫相变特点有关，说明P41压电陶瓷比较适用于需要反复开关的超声电机.同时，P41电机的Qm较小而Aar比较大（TRUM-60 1型电机），具有较好的负载驱动能力。电机的表面温度随运转时间的延长迅速升高，最终在某一温度下稳定运转，采用PMnS-PZN-PZT压电陶瓷电机的表面温度明显低于采用P41压电陶瓷的电机（TRLIM6011电机），与PMnS-PZN-PZT压电陶瓷具有非常低的介电损耗有关，因此这种材料比较适用于需要长时间运转的超声波电机。预压力对电机的性能影响很大，不同尺寸电机具有不同的驱动性能.
上传时间： 2022-06-18
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超声波是一种能量存在的方式，超声波通过高频的振动作用于水介质，从而产生超声空化效应，这种空化效应已经在超声波清洗中得到应用，或者超声波作用于传声媒介当中，能够引起媒介之间发生不同的效应，已经在基础学科研究和工程应用开发都表示出非常广阔的应用前景[12]。按照超声波研究内容上划分，可以分为功率超声和检测超声两大领域Bl]。检测超声是工业及医学检查的一种方法之一，也被认为是弱超声的“被动应用”，功率超声主要是通过超声接触对接触面进行高频的振动摩擦，以改变介质的一些特性，所以功率超声也被称为“主动应用”[]。本课题主要是针对功率超声波换能器进行研究。超声波的产生主要依靠的是超声波换能器。超声波换能器是一种能够进行机、电能量或者声、电能量转换的器件。对于功率超声换能器而言，换能器通过压电材料的压电效应将输入的高频电能转换成高频振动的机械能量。换能器的种类有很多，应用的领域也不相同，如磁致伸缩超声换能器间，压电陶瓷换能器等等。目前研究最为广泛的是压电陶瓷换能器，压电陶瓷换能器是依靠压电陶瓷的压电效应及逆压电效应来实现能量的转换。压电陶瓷的压电效应是由它的内部结构引起的，压电材料主要有钛酸钡、错钛酸铅、偏锐酸铅、锐酸钾钠、钛酸铅等]。这些电介质在某一恰当的方向施加一定的外力时，会引起内部电极分布状态发生改变，在介质的相对表面上会出现和外力成正比且极性相反的带电电荷，这种由外力引起的电介质的现象叫做压电效应则。相反，若在电介质上某一恰当的方向加上一定强度的外电场时，会引起电介质内部电极分布发生相应的变化，从而产生和外电场强度成正比的应变效应，这种由于外电场引起的电介质的应变现象叫做逆压电效应]。功率超声换能是超声学领域中一个重要的分支学科。本课题主要针对压电陶瓷式功率超声波换能器展开研究。20世纪初期超声波技术开始出现，而我国50年代才开始进行大功率超声的研究[]。随着科学技术的发展特别是电子技术的发展，如单片机、DSP、FPFA等微处理器得快速发展，微处理器功能越来越强大，运算速度越来也快，以及IGBT、MOSFET等功率器件的快速发展，功率器件的容量不断的增加，响应速度不断的提高。对超声波发生器的要求也越来越高，体积越来越小，功能越来越强大，越来越智能，可靠性进一步提高。
标签： 超声波换能器
上传时间： 2022-06-18
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