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超声波电机(Ultrasonic Motor,USM)是近20年发展起来的一种新型微特电机,该种电机与传统的电磁型电机在工作机理上有本质的不同。超声波电机利用压电陶瓷的逆压电效应激发定子振动,定子通过摩擦作用把这种振动能量转化为运动部件的直线或旋转运动。超声波电机具有传统电磁型电机无法比拟的优点,如:无电磁干扰、结构简单紧凑、形式多样、低速大力矩、断电自锁、响应速度快等,因此在精密工控、微型机器人、汽车电子、精密消费品以及航空航天等领域有广阔的应用前景。
近20年里超声波电机的研究取得了很大进展,有些机型已经产业化生产,在日常生活中大量应用,还有一些处于实验室的研制和测试阶段。为了适应和推动超声波电机的产业化进程,必须要有与之匹配的超声波电机驱动控制器。目前,微型化、通用化、高性能的驱动电源和简单、实用的控制技术已经成为国内外的研究热点。本文在总结了国内外超声波电机驱动控制技术的发展历程、超声波电机驱动控制电源设计的理论和经验,分析了超声波电机运行工作机理及其影响因素。在此基础上,本文设计了一种基于嵌入式WEB的超声波电机驱动控制器,该驱动控制器可以通过嵌入式WEB网页来远程控制超声波电机的运行状态。本文开展的主要研究工作如下:
(1)总结了微型超声波电机的研究背景和研究意义、微型超声波电机的国内外发展和应用现状、超声波电机驱动控制技术发展历史和现状,指出了国内微型超声波电机研究中存在的问题。
(2)从超声波电机的基本结构、运行机理入手分析了超声波电机的驱动控制原理,提出了基于嵌入式WEB的远程超声波电机驱动控制器。在远程控制基础上实现了微型超声波电机的低压驱动控制。
(3)在理论分析基础上进行超声波电机驱动控制器的设计。电源电路采用DC-DC电源变换技术实现由单一电源供电。主控电路采用基于ARM Cortex M3内核的LM3S8962芯片,该芯片高性能、低功耗及其强大的网络功能和电机控制功能非常适合于远程电机控制。驱动电路采用集成化的ASIC电路来实现。匹配电路在分析各种匹配方法的基础上选择了串联电感的方法。
(4)在硬件电路基础上设计了基于RT-Thread的具有多任务系统调度管理的嵌入式系统。主要设计了上位机部分的嵌入式WEB界面,下位机的文件系统部分、网络连接部分、电机驱动控制部分。
(5)对所设计的驱动控制器进行试验,从实验结果可以看出该驱动控制器能够在低电压情况下有效地驱动超声波电机,并且可以通过网络来远程实时控制超声波电机的状态。