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1.1 超声波电机及其控制的发展历史与现状1

1.1.1 超声波电机的发展简史1

第1章 绪论1

1.1.2 超声波电机控制技术的发展简史6

1.1.3 超声波电机的研究现状9

1.2 超声波电机的分类11

1.2.1 驱动方式11

1.2.2 机械振动获取方式11

1.2.3 定转子接触方式11

1.2.4 定子表面椭圆运动获取方式12

1.3.1 与传统电磁电机的比较13

1.3 超声波电机的特点和应用13

1.3.2 超声波电机的特点15

1.3.3 超声波电机及其驱动控制存在的不足16

1.3.4 超声波电机的应用17

参考文献20

第2章 压电陶瓷和压电振子的特性25

2.1 压电陶瓷及压电效应25

2.2 压电方程26

2.2.1 介电特性26

2.2.2 弹性特性27

2.2.3 机电耦合29

2.2.4 振动模态30

2.2.5 压电方程32

2.2.6 描述压电材料物理特性的重要参数32

2.3 压电振子及其等效电路35

2.3.1 压电陶瓷的系统方程35

2.3.2 等效电路模型37

2.3.3 压电振子的谐振特性分析和参数辨识39

2.4 圆板的振动分析41

2.4.1 圆板的自由振动41

2.4.2 圆板内的行波运动44

参考文献45

第3章 行波超声波电机的运动机理46

3.1 行波超声波电机的结构46

3.2 行波超声波电机的运动分析47

3.2.1 定子行波的产生47

3.2.2 定子表面质点的椭圆运动轨迹分析49

3.2.3 共振频率与共振振幅的计算51

3.3 行波超声波电机的定转子间接触模型56

3.3.1 线接触、库仑摩擦模型57

3.3.2 面接触、库仑摩擦模型60

3.3.3 赫兹接触模型65

3.4.1 机械系统-电学系统的对应关系69

3.4 行波超声波电机的等效电路分析69

3.4.2 自由定子单相等效电路70

3.4.3 整体等效电路70

3.5 极限性能估计72

3.5.1 性能限制因素72

3.5.2 极限性能估计73

参考文献74

第4章 行波超声波电机的运动方程及其仿真75

4.1 定子模型的基本假定和运动方程76

4.1.1 应变-应力关系79

4.1.2 应变-位移关系80

4.1.3 电场-电压关系81

4.1.4 电能所做的功82

4.2 定转子的接触界面模型83

4.3 转子的运动方程84

4.4 行波超声波电机系统的数学模型及仿真85

4.4.1 数学模型85

4.4.2 系统的模型仿真86

4.5 超声波电机接触模型仿真89

4.5.1 接触模型89

4.5.2 模型仿真90

4.6 定子的有限元分析及仿真92

4.5.3 实验结果92

4.6.1 有限元分析方法93

4.6.2 超声波电机定子的有限元分析94

4.6.3 定子的模态分析95

4.6.4 定子的谐响应分析96

4.7 黏结层对定子振动的影响96

4.7.1 黏结层厚度对振动模态的影响96

4.7.2 厚度对表面质点运动影响97

参考文献100

5.1 超声波电机的分析方法102

5.1.1 等效电路方法102

第5章 环形行波超声波电机的分析与设计102

5.1.2 解析方法103

5.1.3 有限元方法104

5.1.4 超声波电机分析中的技术难点105

5.2 环形行波超声波电机的设计方法105

5.3 一种环形行波超声波电机的综合设计方法106

5.4 环形行波超声波电机定子的设计109

5.5 环形行波超声波电机转子的设计113

5.5.1 转子的柔性113

5.5.2 定转子径向弯曲配合114

5.5.3 摩擦层的设计116

5.6 设计方法的应用116

参考文献118

6.1 行波超声波电机驱动电路特点120

第6章 行波超声波电机的驱动120

6.2 开关逆变型驱动电路121

6.2.1 三种开关驱动电路121

6.2.2 推挽型开关驱动电路的设计123

6.3 线性放大型驱动电路126

6.4 超声波电机的电匹配129

6.4.1 匹配电路及其对超声波电机共振性能的影响129

6.4.2 匹配电路的实现132

6.5 谐振升压式驱动电路135

参考文献139

7.1.1 行波超声波电机的控制特点140

第7章 行波超声波电机的控制140

7.1 行波超声波电机的控制特点及控制策略140

7.1.2 行波超声波电机的控制策略144

7.2 行波超声波电机的速度控制145

7.2.1 行波超声波电机速度稳定性控制145

7.2.2 行波超声波电机速度精确控制系统的硬件系统设计151

7.2.3 行波超声波电机速度精确控制的算法实现153

7.3 行波超声波电机定位控制159

7.4 两自由度机械臂的超声波电机控制系统162

参考文献167

8.1 栓固定兰杰文振子169

第8章 圆柱定子超声波电机的分析与设计169

8.2 圆柱定子弯曲振动超声波电机的分析与设计170

8.2.1 圆柱定子超声波电机结构特点与运行机理171

8.2.2 短圆柱定子超声波电机的分析与设计175

8.2.3 短圆柱定子超声波电机优化设计与性能测试181

8.3 圆柱定子纵、扭复合振动超声波电机的分析与设计184

8.3.1 圆柱定子纵、扭复合型超声波电机的基本结构184

8.3.2 圆柱定子纵、扭复合型超声波电机定子表面椭圆运动的形成及运动机理186

8.3.3 圆柱定子纵、扭复合型超声波电机结构的设计189

8.4 圆柱定子球转子多自由度超声波电机的分析与设计192

8.4.1 圆柱定子三自由度球转子超声波电机研究的意义及存在问题192

8.4.2 圆柱定子三自由度球转子超声波电机理论分析195

8.4.3 圆柱定子三自由度球转子超声波电机的任意两相的几何学运动机理198

8.4.4 圆柱定子三自由度球转子超声波电机的合成运动轨迹202

8.4.5 圆柱定子三自由度球转子超声波电机的定子阻抗特性206

8.4.6 圆柱定子三自由度球转子超声波电机的驱动控制207

8.4.7 基于DSP的圆柱定子三自由度球转子超声波电机的驱动控制209

8.4.8 圆柱定子三自由度超声波电机的应用213

参考文献214

第9章 步进超声波电机的分析与设计216

9.1 自校正超声波电机的发展和特点216

9.2 同相驱动的超声波电机217

9.2.1 工作原理218

9.3 多相式步进超声波电机的机理与设计219

9.2.2 结构设计219

9.3.1 步进运动机理220

9.3.2 步进超声波电机的设计222

9.3.3 定子的有限元分析224

9.4 多相步进超声波电机的参数优化设计226

9.4.1 半步驱动的多相步进超声波电机的原理226

9.4.2 大步距角控制228

9.5 步进超声波电机的驱动控制和实验229

9.5.1 步进超声波电机的驱动229

9.5.2 步进超声波电机的控制230

9.5.3 步进超声波电机的试验233

参考文献235

第10章 直线超声波电机的分析与设计237

10.1 直线超声波电机简介237

10.2 模态耦合型直线超声波电机239

10.2.1 模态耦合型直线超声波电机基本结构239

10.2.2 模态耦合型直线超声波电机的运行机理240

10.2.3 模态耦合型直线超声波电机共振模态的简并243

10.3 驻波型直线超声波电机244

10.3.1 直线超声波电机的运动机理244

10.3.2 直线超声波电机动子梁的振动分析246

10.3.3 实验验证247

参考文献248

11.1.1 工艺流程250

第11章 超声波电机的制造技术及测试技术250

11.1 超声波电机的制造技术250

11.1.2 工艺要求251

11.1.3 黏结过程252

11.1.4 引线过程252

11.1.5 装配过程253

11.1.6 时效处理253

11.2 超声波电机的测试技术253

11.2.1 自由定子的阻抗测试253

11.2.2 压电陶瓷参数的测量255

11.2.3 定子的振型和振幅测量256

11.2.4 转子预压力测量257

11.2.5 阻抗自动测试系统258

11.2.6 性能测试263

11.2.7 噪声测试266

11.3 性能测试结果及实验分析266

11.3.1 自由定子的动态阻抗测试266

11.3.2 振动测量266

11.3.3 阻抗特性测试结果及分析267

11.3.4 超声波电机的性能测试271

参考文献278

附录A279

附录B283