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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A 279

附录B 283

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