行波型中空超声电机是目前最具有应用前景的一类特殊的超声电机。这种电机除了具备普通超声电机低速大扭矩、响应速度快、电磁兼容性好等特点以外还包括了由中空结构带来的优点,如从空心可以穿过信号线,也可以通过光路等。这些特点使得电机可以被广泛应用于快速执行机构、电磁兼容要求高的机构、光学和医疗器械相关的机构。目前这类电机的研制在电机结构优化、驱动匹配、电机非正常启停、低速控制、装配工艺等多个方面还存在问题。本文着重从这几个方面出发,分别研究了行波型中空超声电机定、转子的结构优化;电机驱动器驱动电压,驱动频率,匹配点等等对机电系统的阻抗特性的影响;电机非正常启动和停止现象的机理;控制力矩陀螺中行波型中空超声电机的低速稳定控制方法;行波型中空超声电机特殊的结构特点导致的电机装配工艺的优化。经过研究和分析,本文主要获得了如下成果与收获:1、总结了行波型中空超声电机的特点及应用背景,分析了行波型中空超声电机目前存在的不足和研究现状,指出了行波型中空超声电机存在的问题包括:定、转子结构设计空间小,优化难度大;电机驱动系统匹配难度大;电机非正常启动和停止问题突出;电机低速大扭矩下稳定控制难度大;电机生产装配过程中稳定控制难度高。2、分析了行波型中空超声电机的工作机理,提出了一套有限元方法、拉丁超立方抽样方法、响应面模型和遗传算法糅合而成的优化算法。利用优化算法对电机的定、转子进行了优化设计,通过对定子的结构进行优化解决了定子模态混叠,振幅较小等问题。通过优化使得定子共振频率与干扰频率之间的差值从优化前的1Khz以内增大到2Khz以上;同时通过优化也使得定子振幅从优化前不足1.5μm变为优化后大于3.5μm。通过对转子结构进行优化使得转子刚度趋于合理、转子与定子的接触更均匀,衡量接触均匀性的主优化目标从优化前的0.27变为优化后的1.48?10-5。3、通过对行波型中空超声电机匹配电路的研究和分析,提出了行波型中空超声电机的优化匹配方案。结合电机本体,对电机和驱动器组成的机电一体化系统进行统一描述,得到整个机电一体化系统的等效电路。通过傅里叶变换的方法对超声电机驱动信号进行处理,构建了电机及其驱动系统各级效率的计算方法。接着对本人研制的行波型中空超声电机在并联匹配电路下进行了不同驱动频率、不同匹配点、不同扭矩负载下的性能测试实验。通过实验数据分析得到不同驱动频率、不同匹配点、不同扭矩负载下机电系统的导纳特性变化及其对电机性能的影响。最终获得电机的最佳驱动频率是大于电机共振频率100~200Hz的频率点。4、研究了目前行波型超声电机常见的四种非正常启动和停止现象。重点研究了行波型中空超声电机工作在一定的扭矩负载状况下会出现突然停机,并且将负载卸除之后电机也无法转动的现象。通过对超声电机定子工作时的受迫振动进行理论分析,提出超声电机产生非正常停止的原因为负载扭矩的增大导致电机共振频率增加。通过电机在不同负载扭矩下调频调速测试实验验证了负载扭矩增大会导致电机共振频率增大。5、以行波型中空超声电机驱动的控制力矩陀螺为对象进行建模,并采用基于模糊T-S模型的控制算法对电机速度稳定性进行仿真,得到速度跟踪误差<0.2°/s。最后搭建了控制力矩陀螺调试平台,在0.005°/s~72°/s的速度范围内对电机进行速度稳定和定角锁定精度测试。实验测试得到电机速度大于0.1°/s时的波动量小于5%;速度小于0.1°/s时的波动量小于0.01°/s;绝对定角锁定误差小于2角秒;相对定角锁定误差小于1%。实验结果表明基于模糊T-S模型的控制算法相比于传统的PID控制算法,对电机速度稳定性的控制精度更高。6、针对压电陶瓷片的粘接工艺设计出一种粘接压电陶瓷片的工装,以克服压电陶瓷片粘接过程中胶层太厚和空气排不干净的问题。研究了行波型中空超声电机定子组件与底座的安装方式,分析不同的安装方式带来的不足,最终确定螺纹圈环压的安装方式最适合行波型中空超声电机的结构。研究了超声电机不同的预压力施加和保持方法,确定了以螺纹施加预压力的方式为行波型中空超声电机施加并保持预压力。针对本文涉及到的行波型中空超声电机设计了一套施加预压力的工装以保证电机的预压力可以准确施加,误差为±5N。