超声电机驱动多关节机器人的非线性H∞控制

利用超声电机低速大转矩特性,实现了三关节机器人的直接驱动.一方面,由于超声电机是通过定转子间的摩擦驱动,其模型无法精确描述,另一方面,由于无法在方程中将关节机器人的所有动力参数表达出来,因而该机器人在控制中存在摩擦干扰和参数不确定带来的动力干扰.针对这些干扰,采用了非线性H∞控制方式,以L2增益作为设计指标,设计了H∞控制器.实践证明,非线性H∞控制器不仅可以保证机器人稳定运行,而且位置精度大为提高.最后,还对控制器的鲁棒性进行了实验验证,结果表明该控制器有很好的抗干扰能力.     

双向驱动压电作动器结构设计

为了实现叠层压电作动器双向驱动、提高作动行程的目的,设计了利用三角位移放大原理的双向驱动压电作动器。分析了作动机构的运动及放大机理,建立了作动器的输出位移的理论模型和有限元静力模型。样机输出特性试验结果显示:压电作动器的位移放大倍数达5.45,与有限元仿真得到的放大倍数5.71以及解析计算得到的5.76倍相对偏差分别是4.77%和5.69%;驱动器在幅值为200 V正弦电压的激励下,作动行程达105.5μm,作动行程与电压幅值具有很高的线性度(相关程度R2=0.997),且有很高的重复精度;作动器的输出特性受频率影响较小,频率每升高10 Hz,作动振幅减小0.04μm;放大机构的迟滞效应相比单个叠层压电陶瓷有很大改善,迟滞回线中心对称。该结构实现了较大行程、双向对称驱动的目的,适用于需要往复驱动特性对称的应用场合。     

基于灵敏度函数塑形的超声电机驱动平台的数字内模控制器

针对将超声电机这一新型电机应用于稳定平台后产生的存在负载与扰动难以实现高精度控制的问题,结合超声电机与稳定平台的驱动特点提出一种适用于超声电机驱动稳定平台的控制方法。通过对稳定平台的机械结构进行动力学分析得出稳定平台的传递函数,并根据稳定平台的工作指标转化得到的控制目标确定灵敏度函数模板。按照灵敏度函数模板的要求通过极点配置与添加辅助极点与滤波器的方法调整系统由扰动到输出的灵敏度函数。对该控制器在仿真软件中进行仿真实验的结果表明:该控制方法相较于经典比例-积分-微分控制器可以提高系统响应的速度,缩小对参考信号的跟踪误差,有效抑制外界对系统输出的影响。     

圆柱形多自由度超声电机特性的实验研究

从提高驱动效率、改善输出性能的角度出发,研制了一台新结构形式的圆柱形多自由度超声电机,对电机定子的工作模态和电机的输出性能进行了测试.电机定子的模态实验表明,无论是工作频率的一致性、驱动端的振幅,还是压电陶瓷元件与工作振型的相互位置关系,均较好地满足了设计要求.电机输出性能的测试结果表明,电机的输出转速和输出转矩得到显著提高,电机的性能体积比超过国外同类型、同规格的电机.     

多自由度超声电机研究的一些新进展

多自由度超声电机是从九十年代初开始研究的、在单自由度超声电机的基础上发展起来的一种新型电机。由于这种电机能提供两个或两个以上自由度的运动，且具有超声电机本身的独特优点，因而有广阔的应用前景。文中列举了几种最新出现的多自由度超声电机，阐述了它们的结构、工作原理和特点，为关注这方面发展动态的同行们提供参考。     

化工反应器系统的最大时滞可耐受度指数求解与应用分析

化工反应器系统具体操作过程中常会受到时滞和不确定参数影响,在一些操作工况下不确定参数是不可调节的。为了保证化工系统实际操作的安全和可靠性以避免环境污染事件和人员伤害,系统所能耐受的最大时滞值非常有必要得到求解和分析。提出了含不确定参数的化工反应器系统的时滞耐受度指数问题、给出了求解和应用分析框架。首先对反应器系统进行建模,采用泰勒展开式和拉普拉斯变换将反应器系统线性化成为含不确定参数及时滞的传递函数模型。其次采用PID闭环控制的控制策略对系统进行动态响应性能测试,PID参数采用MATLAB的NCD(nonlinear control design package)模块进行优化。最后采用二分法结合系统的动态响应性能测试结果对系统所能耐受的最大时滞值τmax进行求解。以一个典型具有连续进出料的反应-分离系统为案例,对含不确定参数的反应器系统的时滞耐受度指数进行了求解和分析。研究结果表明,所提出的研究策略可以为含不确定参数的连续反应器系统的时滞耐受度指数的求解提供快速、简洁有效的方法和思路,从而提高化工反应器系统实际运行的安全和可靠性。     

一种新型的二自由度直线型超声电机

首次提出了一种新型二自由度的直线超声电机，阐述了该电机的基本结构和产生二自由度直线运动的驱动原理，利用有限元法设计了电机，并制造了样机，扫频和激光散斑等实验证明了理论分析和设计的正确性。     

动摩擦型压电叠堆直线电机定子的振动特性

为提高动摩擦非共振型压电电机的输出力,研究了该型电机定子的振动特性及其对电机输出力的影响。通过分析电机的总体结构和工作机理,建立了电机定子的纵向振动模型和伪刚体模型,给出了定子驱动端的振动微分方程,并获得了纵向位移函数和横向位移函数。从功能原理出发,推导了电机的周期平均输出力公式。利用数值分析法对电机的纵向振幅特性和推力特性进行了仿真。设计、制作了电机样机,对不同激励条件下定子驱动端的纵向振动位移和电机输出力进行了测试。仿真和试验结果验证了定子振动特性理论：电机输出力随纵向振幅的增加而增加,且近似成线性关系。测试结果表明：在激励电压峰峰值为100 V、频率为1.6 kHz时,驱动端振幅最大可达0.92μm,样机输出力最大可达3.5 N。     

模态叠加法在压电复合结构分析中的应用

结构动力有限元模型的维数会影响动力响应分析的计算效率.针对ANSYS提供的模态叠加法不能施加位移载荷的问题,该文介绍了一种压电复合结构分析法.在用ANSYS软件进行静态电学分析、模态分析的基础上,从能量分析的角度,间接提取特定的模态参数和相应等效电路模型的电学参数,并由此得到结构的频率响应特性.以超声电机定子为例进行了计算,并与ANSYS完整法谐响应分析的结果进行了对比.     

一种新型模态转换压电钻

提出了一种新型模态转换压电钻.该压电钻将钻头斜向安装在定子基体上,形成一个纵弯模态转换器.利用压电陶瓷的逆压电效应使定子基体产生纵向振动并通过纵弯模态转换器将该纵向振动转换成钻头部分的局部弯振,从而在钻头端部合成为椭圆运动,为切削及钻孔提供动力.利用有限元分析软件ANSYS对压电钻进行结构设计,仿真了钻头在设计工作频率下的切削轨迹.根据仿真结果试制了一台样机,对该样机进行了激光扫频实验,结果表明,样机工作频率为56 kHz,切削频率可达336×104次/min,切削幅度则可控制在微米级.实验表明该样机配上普通牙钻,可在普通打印纸、硬纸板、铝板、钢板上进行切削、钻孔等操作.