V形直线超声电机是一种具有代表性的超声电机,以其输出力大、速度高和行程大的特点,已在精密工程、航空航天和生物工程等领域展现出广阔的应用前景。该类型电机利用了V形压电换能器的对称与反对称模态复合,在驱动足处生成椭圆运动,并通过摩擦作用实现动子的运动。随着V形直线超声电机的发展,需要建立动力学模型进行电机性能预估以及控制。然而,目前超声电机动力学模型研究主要集中在行波型旋转超声电机和纵弯模态复合直线超声电机,缺乏关于V形直线超声电机的动力学建模与分析研究。因此,建立V形直线超声电机动力学模型,开展驱动机理、性能仿真、控制、驱动和结构设计等研究,具有重要的理论意义和应用价值。本文主要研究内容和成果综述如下:1.分析了梁的振动与驱动足处椭圆运动形成机理,指出了相互正交的对称和反对称模态复合形成驱动足处椭圆运动,阐述了V形定子的压电陶瓷配置规律,介绍了V形直线电机结构、运动机理和机械特性等。2.提出了V形定子动力学解析模型。从梁的纵向振动和弯曲振动方程出发,通过相容条件和边界条件,得到了整个V形定子的运动方程;应用哈密尔顿原理,得到了机电耦合的空间离散型的拉格朗日方程。基于该动力学模型,得到了定子的固有振动特性、研究了对称和反对模态频率与结构参数的关系,分析了驱动足振动位移与两相信号相位差的关系,探究了对称模态和反对称模态机电耦合系数与变截面尺寸和夹角的关系。实验结果表明,该模型能够反映定子的振动特性以及机电耦合特性。3.提出了V形直线超声电机动力学模型,其包括定子动力学解析模型、定动子间的接触摩擦模型和动子模型等。利用电机动力学模型,揭示了电机摩擦驱动的机理,分析了定、动子之间的动力学特性,研究了电机的机械特性、电学特性和瞬态特性;并通过实验对该模型进行了验证。基于电机动力学模型,建立了电机控制模型,采用反步法设计了控制器;开展了控制实验,其中电机定位误差小于0.8μm。实验结果表明,该动力学模型不仅能够用于电机性能预估和动力学特性分析,还能够用于电机控制。4.针对夹心式V形直线超声电机在大电压和大预应力下的非线性现象,提出了含有非线性电容的电机等效电路模型,分析了电路的非线性动力学特性,并通过实验验证了该模型。基于模型分析结果,提出了非线性抑制方法,设计了新型驱动电路。采用新型驱动电路后,谐波电流总畸变率下降了68%,高次谐波得到了有效抑制。5.研制了V形直线超声电机驱动的自动调焦系统、旋转运动平台和高速机械开关装置;针对具体应用需求,提出了基于电机模型的控制策略,实现了上述装置的有效控制。