超声电机驱动控制技术研究

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超声电机作为一种基于压电原理的微型电机,不产生电磁干扰,具有低速大转矩的特性。它这一特殊优势使其成为微型电机的研究热点。行波型旋转超声电机是一类具有代表性的超声电机。由于复杂的多变量、强耦合和时变特性,超声电机建模复杂,其优良特性的发挥有赖于驱动控制系统的性能。本文以实现超声电机的驱动控制为目的,构建了超声电机仿真模型,分析了驱动电路方案与调速控制方法,实现并验证了一种驱动控制电路。本文首先构建了一种适用于驱动控制研究的仿真模型。仿真模型以两相驱动电压和负载转矩为输入量,以电机转速为输出量,综合了超声电机等效电路模型和解析模型的部分特点,为驱动控制方案的研究提供了基础平台。超声电机的驱动电路由信号发生电路、功率放大电路、匹配电路和供电电源四个部分组成。本文分析了不同功率逆变拓扑的特点,论证了三相桥式逆变拓扑用于两相驱动的可行性;分析了不同匹配电路的功能与特点,给出了串联电感匹配、LLCC网络匹配的参数设计方法。本文指出了三相桥式逆变电路驱动超声电机时,调压、调频与调相与PWM控制信号的之间的时序关系,分析了调速方法的具体实现方案;分析了孤极电压反馈信号在调频、调压与调相过程中的变化规律,给出了孤极反馈用于频率跟踪控制的总体方案。本文最后以FPGA为控制核心设计并实现了一种超声电机驱动控制器。驱动控制器采用三相桥式功率逆变拓扑,LLCC网络作为匹配电路,采集孤极电压反馈信号实现频率跟踪。给出了驱动控制器软硬件设计方案,对其进行了实验测试,验证了基本的驱动控制功能。
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