钻探是探测月球、火星等地外天体星壤的重要途径。冲击式超声波钻以结构简单、体积小、能耗低、所需钻压力小、无需润滑等特点,在地外天体探测任务中展现出显著优势。由于冲击式超声波钻工具头部损耗以及振动系统自身的刚度、温度以及施加在钻头上的负载等随时间变化,超声波钻共振频率随时间变化,这使冲击式超声波钻钻进效率急剧下降。本文以实时跟踪冲击式超声波钻共振频率,维持高钻进效率为目标,通过理论分析、仿真、实验等手段,对冲击式超声波钻的驱动特性进行研究,研制冲击式超声波钻驱动器。对冲击式超声波钻工作原理、驱动特性进行研究。分析冲击式超声波钻机械结构、组成部分以及其工作原理;分析换能器各项参数,建立换能器数学模型;基于换能器数学模型,分析换能器驱动特性,分析锁相环法驱动换能器时的失效原因,并对换能器进行阻抗匹配。基于换能器驱动特性,对冲击式超声波钻驱动特性进行研究。基于工作原理、驱动特性,设计冲击式超声波钻驱动器驱动电路。根据冲击式超声波钻驱动要求,分别设计冲击式超声波钻驱动电路控制单元、信号产生单元、电压转换单元、信号放大单元,产生幅值300~400 V、频率范围10~20 k Hz、频率分辨率为0.01 Hz的相位、幅值、频率实时远程可调的驱动信号。基于驱动电路传递函数,优化驱动电路元器件参数,优化驱动电路驱动信号。基于驱动特性,研究冲击式超声波钻谐振控制。设计信号采集电路,分别分析信号采集电路时间响应特性、稳定性;在信号采集电路信号采集特性的基础上,设计换能器谐振控制算法;基于换能器谐振控制算法,研究冲击式超声波钻谐振控制算法;基于冲击式超声波钻谐振控制算法,研究冲击式超声波钻恒振幅控制算法,提高冲击式超声波钻工作稳定性。不同条件下,测试冲击式超声波钻驱动器驱动特性。采用不同的驱动方法驱动换能器、冲击式超声波钻,检测换能器驱动参数,测试驱动电路、控制算法控制效果;采用频率跟踪法驱动不同钻压力下的冲击式超声波钻,测试驱动器不同钻压力下的驱动稳定性;采用频率跟踪法、恒振幅法驱动钻压力为3 N的冲击式超声波钻,对比两种驱动方法下冲击式超声波钻的工作稳定性,分析驱动器驱动参数与冲击式超声波钻工作稳定性之间的关系,为我国小行星钻取采样任务提供技术参考。