基于同步钳位的惯性冲击旋转压电马达研究.pdf

万方数据 单位代码单位代码1035910359 学学 号号20181701152018170115 密密 级级公开公开 分类号分类号TN384TN384 Hefei University of Technology 硕硕士学位论文士学位论文 MASTER’S DISSERTATION （专业硕士）（专业硕士） 论文题目论文题目 基于同步钳位的惯性冲击旋转 压电马达研究 专业名称专业名称 机械工程 作者姓名作者姓名 张 勇 导师姓名导师姓名贺良国 副教授 邵维维 副研究员 完成时间完成时间 2021 年 5 月 万方数据 合 肥 工 业 大 学 专业硕士专业硕士学位论文学位论文 基于同步钳位的惯性冲击旋转压电马达基于同步钳位的惯性冲击旋转压电马达研研 究究 作者姓名 张 勇 指导教师 贺良国 副教授 邵维维 副研究员 学科专业 机械工程 研究方向 机电系统设计、控制与自动化 2021 年 5 月 万方数据 A Dissertation ted for the Degree of Master Inertial impact piezoelectric rotary motor based on synchronized switching control By Yong Zhang Hefei University of Technology Hefei, Anhui, P.R.China May, 2021 万方数据 合合 肥肥 工工 业业 大大 学学 本论文经答辩委员会全体委员审查， 确认符合合肥工业大 学学历硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名（工作单位、职称、姓名）答辩委员会签名（工作单位、职称、姓名） 主席 委员 导师 万方数据 学位论文独创性声明学位论文独创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行独立研究工作所 取得的成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的内容外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。 对本文成果做出贡献的个人和集体， 本人已 在论文中作了明确的说明，并表示谢意。 学位论文中表达的观点纯属作者本人观点，与合肥工业大学无关。 学位论文作者签名 签名日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规定， 即 除保密期内的涉密学位论文外， 学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和电子光盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 合肥工业大学 可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库， 允许采用影印、 缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名 指导教师签名 签名日期 年 月 日 签名日期 年 月 日 论文作者毕业去向 工作单位 联系电话 E-mail 通讯地址 邮政编码 万方数据 致致 谢谢 感谢我的导师贺良国老师三年以来对我的悉心指导和亲切关怀。贺老师优秀 的学术水平、高尚的职业道德以及严谨的治学风范都对我产生了深远影响,使我 在科研道路上取得了显著的进步。贺老师正确的科研方法和巧妙的教学技巧使我 迅速完成从对科学研究错误的理解到现在能够独立进行科研的转变；贺老师严谨 的治学风范，使我提高了对自己的要求，培养了我精益求精的工作态度；除此之 外，贺老师在生活上对我无微不至的关怀也使我非常感动。而且贺老师在为人处 世方面以其宽以待人、平易近人的高尚人格魅力潜移默化的影响着我。 同时，我还要感谢我的大师兄楚宇恒、二师兄郝赛和徐磊，在研究生期间， 在软件操作、画图、论文写作、实验操作、项目工作等方面对我悉心指导，帮助 我解决很多问题。同时还要感谢我的同门程子阳，师弟严毅、高广杰、窦浩天、 李锟、单增祥以及实验室王孝平、李洪福等同学给予的帮助。 感谢我的父母及我的亲人，感谢他们这么多年来对我学习道路上的支持，感 谢他们默默的为我所做出的各种付出。 最后，感谢评阅本文和出席论文答辩的各位专家教授在百忙中给予本人的指 导。 作者 张 勇 2021 年 03 月 11 日 万方数据 摘摘 要要 压电马达是利用压电体的逆压电效应进行机电能量转换的电动机，由于其体 积小、分辨率高、响应快、无电磁干扰、低速大转矩等优点被广泛应用机器人、航 天航空、微纳米定位系统、精密加工设备和生物医疗器械等领域。但是传统惯性旋 转压电马达由于工作在准静态状态下， 依靠定子和动子的摩擦耦合驱动， 导致其频 率、速度、效率不高，负载能力较差，磨损严重。为了提高马达的寿命、速度、负 载转矩、 效率等性能， 本文在现有研究的基础上提出一种新型的基于同步钳位的惯 性冲击旋转压电马达。该压电马达主要由固定于输出轴上的振子和控制输出轴旋 转方向的钳位卡环组成， 振子工作在谐振状态下， 在一个步进周期内会驱动输出轴 产生往复旋转的振动模态，钳位卡环在一个步进周期内通过钳紧和松开输出轴两 个动作，将输出轴的往复旋转转换为单向旋转。本文的主要工作和结论如下 （1）阐述本文中同步钳位的旋转压电马达的工作原理和特点。阐述压电陶瓷 材料的特性， 建立振子的动力学模型， 分析同步钳位的旋转压电马达的驱动过程和 钳位过程， 研究实现驱动过程和钳位过程的方法； 对本文中同步钳位的旋转压电马 达的工作原理阐述和分析， 推导出压电马达的每个步进周期内， 在无负载和有负载 条件下的角位移、角速度、钳紧时间点的公式，总结本文中同步钳位的惯性冲击旋 转压电马达的预期特点。 （2）设计、制造并组装了本文中同步钳位的旋转压电马达。通过 COMSOL Multiphysics 5.4 软件对振子进行模态仿真分析、 谐响应分析， 确定振子的关键尺寸 和工作频率， 验证振子驱动原理和结构的可行性； 对钳位卡环进行模态仿真分析、 准静态仿真分析，验证钳位卡环结构和钳位原理的可行性。 （3）搭建实验测试平台，测试压电马达样机的振动特性和性能。马达样机的 最佳工作频率为 512 Hz，振子激励电压为 120 Vp-p，钳位卡环激励电压为 200 Vp- p， 无负载最大转速为 7.21 r/min， 平均步进角为 0.068， 最大负载转矩为 54.4 Nmm， 预紧力矩为 3 Nmm 时最大工作效率为 15.6。上述实验结果验证了同步钳位控制 原理应用于惯性冲击压电马达设计的可行性， 与传统惯性冲击压电马达相比， 本文 中同步钳位的旋转压电马达具有速度较快、 负载转矩较大、 步距稳定、 摩擦磨损少、 工作寿命长、效率较高等优点。 关键词关键词压电马达；同步钳位；惯性冲击；悬臂梁式压电双晶片 万方数据 ABSTRACT Due to small size, high resolution, fast response, no electromagnetic interference, low speed and large torque, the piezoelectric motor, which uses the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric body to carry out electromechanical energy conversion, has been widely used in some fields, such as robot, aerospace, micro and micro positioning system, precision machining equipment and biological and medical instruments. However, the traditional inertial rotating piezoelectric motor works in quasi-static state and relies on the friction coupling drive between stator and actuator, which leads to its low frequency, speed and efficiency, poor load capacity and serious wear. In order to improve the life, speed, load torque and efficiency of piezoelectric motors, a new type of inertial impact piezoelectric rotary motor based on synchronized switching control is proposed in this paper. The motor mainly consists of a vibrator working in the resonance state as a driving element, driving the shaft to rotate, and a clutch working in the quasi-static state to control the shaft for unidirectional rotation. The main work and conclusions of this paper are as follows 1 The working principle and characteristics of the piezoelectric rotary motor based on synchronized switching control in this paper were described. Firstly, the characteristics of piezoelectric ceramic materials were described, the dynamic model of the vibrator was established, the driving process and clamping process of the piezoelectric motor based on synchronized switching control were analyzed, and the of realizing the driving process and clamping process was studied. Then, the working principle of the piezoelectric motor based on synchronized switching control was expounded and analyzed, deriving the ulas of the angular displacement, angular velocity and clamping time point of the piezoelectric motor in each step period under the condition of no load and load. The expected characteristics of the inertial impact piezoelectric rotary motor based on synchronized switching control in this paper were summarized. 2 The structures and assembly structure of the piezoelectric rotary motor based on synchronized switching control were designed, manufactured and assembled. Through COMSOL Multiphysics 5.4 software, modal simulation analysis and harmonic response analysis of the vibrator were carried out to determine the key dimensions of the vibrator and verify the feasibility of the driving principle and structure of the vibrator. Modal simulation analysis and quasi-static simulation analysis were carried out to verify the feasibility of the structure and clamping principle of clutch. 万方数据 3 An experimental test plat was built to test the vibration characteristics and perance of the prototype motor. The prototype motor outputted a no-load speed of 7.21 r/min and a maximum torque of 54.4 Nmm, when the voltages applied to the clutch and the vibrator were 200 Vp-p and 120 Vp-p respectively with the frequency of 512 Hz. The motor achieved a net efficiency of 15.6 under the preload torque of 3 Nmm. The average stepping angle of the motor with no-load was 0.068. The above experimental results verified the feasibility of the synchronized switching control principle applied to the inertial impact piezoelectric rotary motors. Compared with the traditional inertial impact piezoelectric motor, the rotary piezoelectric motor based on synchronized switching control in this paper has the advantages of faster speed, larger load torque, stable step, less friction and wear, long working life and higher efficiency. KEYWORDS Piezoelectric motor; Synchronized switching; Inertial impact; Cantilever beam piezoelectric bimorph 万方数据 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 ..................................................... 1 1.1 引言 .................................................... 1 1.2 压电马达的分类及原理 .................................... 2 1.2.1 惯性冲击压电马达 ................................... 2 1.2.2 尺蠖压电马达 ....................................... 5 1.2.3 行波型压电马达 ..................................... 7 1.2.4 驻波型压电马达 ..................................... 7 1.3 压电马达的研究现状 ...................................... 8 1.4 本文研究的主要内容 ..................................... 13 第二章第二章 同步钳位的旋转压电马达的组成部分同步钳位的旋转压电马达的组成部分 ........................ 15 2.1 引言 ................................................... 15 2.2 压电陶瓷材料 ........................................... 15 2.2.1 压电陶瓷的压电特性 ............................... 15 2.2.2 压电陶瓷的主要参数 ............................... 17 2.3 驱动过程分析 ........................................... 19 2.3.1 压电双晶片 ....................................... 19 2.3.2 振子振动特性 ..................................... 21 2.4 钳位过程分析 ........................................... 24 2.5 本章小结 ............................................... 25 第三章第三章 同步钳位的旋转压电马达的驱动原理同步钳位的旋转压电马达的驱动原理 ........................ 27 3.1 引言 ................................................... 27 3.2 同步钳位控制原理 ....................................... 27 3.2.1 马达无负载时的工作过程 ........................... 27 3.2.2 马达有负载时的工作过程 ........................... 29 3.3 同步钳位的旋转压电马达的预期特点 ........................ 30 3.4 本章小结 ............................................... 32 第四章第四章 同步钳位的旋转压电马达的结构设计和仿真同步钳位的旋转压电马达的结构设计和仿真 ...................................... 33 4.1 引言 ................................................... 33 4.2 同步钳位的旋转压电马达的的整体结构 ..................... 33 4.3 振子结构设计 ........................................... 35 4.3.1 振子的模态分析 ................................... 35 4.3.2 振子的谐响应分析 ................................. 41 万方数据 4.4 钳位卡环结构设计 ....................................... 43 4.4.1 钳位卡环结构方案 ................................. 43 4.4.2 钳位卡环模态仿真 ................................. 46 4.4.3 钳位卡环准静态仿真 ............................... 47 4.5 本章小结 ............................................... 48 第五章第五章 同步钳位的旋转压电马达的实验测试分析同步钳位的旋转压电马达的实验测试分析 .......................................... 49 5.1 引言 ................................................... 49 5.2 同步钳位的旋转压电马达的振动特性 ....................... 49 5.2.1 振子的振动特性 ................................... 49 5.2.2 钳位卡环的振动特性 ............................... 50 5.3 同步钳位的旋转压电马达的测试系统 ....................... 51 5.4 同步钳位的旋转压电马达的性能测试 ....................... 53 5.4.1 无负载速度特性 ................................... 53 5.4.2 无负载步距特性 ................................... 56 5.4.3 负载特性 ......................................... 58 5.4.4 工作效率 ......................................... 60 5.4.5 与传统压电马达的比较 ............................. 61 5.5 本章小结 ............................................... 62 第六章第六章 结论与展望结论与展望 .............................................................................................. 63 6.1 总结 ................................................... 63 6.2 展望 .................................................... 64 参考文献参考文献 ....................................................... 65 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况 ........................... 70 万方数据 插图清单插图清单 图 1.1 惯性冲击式压电马达粘滑工作模式 （a）粘滑模式原理， （b）定子和滑 块位移， （c）压电叠堆[21] .............................................................................................. 3 图 1.2 惯性冲击式压电马达平滑工作模式 （a）平滑模式原理， （b）锯齿波激 励信号， （c）压电叠堆 .................................................................................................. 4 图 1.3 机械控制式惯性冲击压电马达的驱动原理 （a）变摩擦力式， （b）非对 称夹持式 .......................................................................................................................... 5 图 1.4 爬行式尺蠖压电马达的驱动原理 .................................................................... 6 图 1.5 推动式尺蠖压电马达的驱动原理 .................................................................... 6 图 1.6 混合驱动式尺蠖压电马达的驱动原理 ............................................................ 7 图 1.7 行波型压电马达的驱动原理 ............................................................................ 7 图 1.8 驻波型压电马达的驱动原理 ............................................................................ 8 图 1.9 Liling Han 等人设计的惯性冲击旋转压电马达 （a）样机， （b）剖面图[18] .......................................................................................................................................... 9 图 1.10 Qiaosheng Pan 等人设计的惯性冲击直线压电马达[20] ............................... 10 图 1.11 Dezhu Shen 等人设计的惯性冲击直线压电马达[23] ................................... 10 图 1.12 Xinqi Tian 等人设计的尺蠖压电马达[33] ...................................................... 11 图 1.13 应志奇等人设计的尺蠖压电马达[34] ............................................................. 11 图 1.14 M.T 等人设计的尺蠖压电马达 （a）三维示意图， （b）工作原理[36] ..... 11 图 1.15 Liang Wang 等人设计的行波型压电马达[47] ............................................... 12 图 1.16 Jianye Niu 等人设计的行波型压电马达[50] ................................................. 12 图 1.17 Chunrong Jiang 等人设计的驻波型压电马达[53] ......................................... 13 图 1. 18 Pingqing Fan 等人设计的行波型压电马达[54] ............................................ 13 图 2.1 压电特性（a）压电效应，（b）逆压电效应 .......................................... 16 图 2.2 压电陶瓷极化过程（a）极化前，（b）电场中极化，（c）极化后 ..... 16 图 2.3 压电特性的物理机制 ...................................................................................... 17 图 2.4 压电双晶片与压电单晶片（a）压电双晶片，（b）压电单晶片 .......... 19 图 2.5 压电双晶片的夹持方式（a）悬臂支撑式，（b）两端夹持式 .............. 19 图 2.6 压电双晶片的连接方式（a）并联连接和（b）串联连接 ...................... 20 图 2.7 悬臂梁弯曲示意图 .......................................................................................... 20 图 2.8 马达机械控制模型 .......................................................................................... 21 图 2.9 振子和输出轴的动力学模型 .......................................................................... 22 图 2.10 （a）钳位卡环的位移和b最大静摩擦力矩 .............................................. 25 万方数据 图 3.1 本文中压电马达的工作过程（a）振子和钳位卡环的动作和（b）振子和 钳位卡环的位移，（c）输出轴的角位移和角速度 .................................................. 28 图 3.2 本文中压电马达的实际工作过程（a）工况，（b）输出轴受到的的力矩 和（c）输出轴的角位移和角速度 .............................................................................. 29 图 4.1 压电马达的整体结构 ...................................................................................... 34 图 4.2 压电马达的样机实物图 .................................................................................. 34 图 4.3 振子的结构和尺寸 .......................................................................................... 35 图 4.4 COMSOL Multiphysics 5.4 的工作界面 ......................................................... 37 图 4.5 振子的前四阶振动模态 （a）第一阶振型， （b）第二阶振型， （c）第三阶 振型， （d）第四阶振型 ................................................................................................ 38 图 4.6 振子的第二阶振型（a）松开状态， （b）钳紧状态 .................................... 39 图 4.7 金属基片长度（a）对振子的固有频率的影响 ............................................ 40 图 4.8 金属基片厚度（b）对振子的固有频率的影响 ............................................ 40 图 4.9 压电片安装位置（c）对振子的固有频率的影响 ........................................ 40 图 4.10 振子上一点的频率相应位移 ........................................................................ 41 图 4.11 松开状态下振子的谐响应分析（a）振子的应力云图， （b）连接体上一个 点在 x 轴上的位移分量 ................................................................................................ 42 图 4.12 钳紧状态下振子的谐响应分析（a）振子的应力云图， （b）连接体上一 个点在 x 轴上的位移分量 ............................................................................................ 43 图 4.13 钳位卡环的第一种方案 （a）钳位卡环的三维模型， （b）马达的三维模 型 .................................................................................................................................... 44 图 4.14 钳位卡环的第二种方案（a）钳位卡环的三维模型， （b）钳位卡环的模 态仿真结果 .................................................................................................................... 45 图 4.15 钳位卡环的第三种方案（a）钳位卡环的三维模型， （b）钳位卡环的尺 寸 .........................................................