超聲波電機(Ultrasonic motors，簡稱USM)是一種全新原理的直接驅動電機，它利用壓電陶瓷逆壓電效應激發的超聲振動作為驅動力，通過定轉子間的摩擦力來驅動轉子運動。與傳統的電磁電機相比，它具有低速大轉矩、無電磁干擾、動作響應快、運行無噪聲、無輸入自鎖等卓越特性，在非連續運動領域、精密控制領域比傳統的電磁電機性能優越得多。超聲波電機在工業控制系統、汽車專用電器、精密儀器儀表、辦公自動化設備、智能機器人等領域有廣闊的應用前景，近年來倍受科技界和工業界的重視，成為當前機電控制領域的一個研究熱點。 本文主要以行波型超聲波電機的驅動控制技術為研究對象，引入嵌入式系統理念，設計并制作了超聲波電機的驅動控制系統，并對超聲波電機的速度與定位控制做了深入的研究。本文主要研究內容及成果如下： 介紹了超聲波電機的工作原理、特點及其應用前景，總結了國內外超聲波電機驅動控制技術的發展歷史和研究現狀，以及今后我國超聲波電機驅動控制技術的發展方向，明確了本文的研究內容。 結合嵌入式系統特點及其開發方法，詳細介紹了超聲波電機嵌入式驅動控制系統的硬件和軟件設計過程，并總結了硬件、軟件的調試過程。最后，對所設計系統性能進行了實驗測試和數據分析。 采用DDS技術解決超聲波電機所需要的高頻驅動電源和數字控制的問題。本文設計的以ARM控制器為核心，頻率、相位、幅值均可調的雙通道信號發生器，具有頻率和相位差控制精度高的特點。 本文介紹了速度與位置的常用控制策略。設計并搭建了基于增量式PID的速度和基于模糊PID的位置控制系統。速度控制采用增量式PID調節，其控制策略簡單、易行，通過實驗選擇合適的參數能適應一般的控制精度要求。定位控制則采用模糊PID控制策略，該策略將模糊控制不需要精確的數學模型、收斂速度快的特點與PID簡單易行、能消除穩態誤差的優點相結合，改善了模糊控制器穩態性能，使電機定位控制精度達到0.0880。
標簽： ARM 超聲波 電機 位置控制
上傳時間： 2013-07-16
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超聲波電機是一種全新原理的直接驅動電機，它利用壓電陶瓷逆壓電效應激發的超聲振動作為驅動力，通過定轉子間的摩擦力來驅動轉子運動。與傳統的電磁電機相比，它具有低速大轉矩、無電磁干擾、動作相應快、運行無噪聲、無輸入自鎖等卓越特性，在非連續運動領域、精密控制領域要比傳統的電磁電機性能優越得多。超聲波電機在工業控制系統、汽車專用電器、精密儀器儀表、辦公自動化設備、智能機器人等領域有廣闊的應用前景，近年來倍受科技界和工業界的重視，成為當前機電控制領域的一個研究熱點。 本文主要研究了行波型超聲波電機的嵌入式驅動控制系統設計。系統是基于ARM嵌入式微控芯片設計的。全文共分為6部分。第一章主要介紹了國內外超聲波電機驅動控制技術在國內外的發展狀況，ARM芯片的結構原理以及本課題的選題意義。第二章在前人的研究基礎上做了系統仿真，為系統的硬件設計提供設計指導。第三章提出了基于ARM的超聲波電機嵌入式驅動控制系統設計方案，并介紹了系統各個模塊的設計與調試的過程和結果。第四章介紹了uC/OS-Ⅱ操作系統在ARM上的移植，以及基于該操作系統的電機控制系統軟件設計流程。第五章介紹了系統各子程序的設計，速度控制與定位控制的算法設計，以及系統調試的結果。第六章總結了本論文的主要貢獻、存在問題以及后續課題的研究方向。
標簽： ARM 超聲波 電機 嵌入式
上傳時間： 2013-04-24
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一、傳感器的定義信息處理技術取得的進展以及微處理器和計算機技術的高速發展，都需要在傳感器的開發方面有相應的進展。微處理器現在已經在測量和控制系統中得到了廣泛的應用。隨著這些系統能力的增強，作為信息采集系統的前端單元，傳感器的作用越來越重要。傳感器已成為自動化系統和機器人技術中的關鍵部件，作為系統中的一個結構組成，其重要性變得越來越明顯。最廣義地來說，傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會(IEC:International Electrotechnical Committee)的定義為：“傳感器是測量系統中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統則是組合有某種信息處理(模擬或數字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。傳感器系統的原則框圖示于圖1-1，進入傳感器的信號幅度是很小的，而且混雜有干擾信號和噪聲。為了方便隨后的處理過程，首先要將信號整形成具有最佳特性的波形，有時還需要將信號線性化，該工作是由放大器、濾波器以及其他一些模擬電路完成的。在某些情況下，這些電路的一部分是和傳感器部件直接相鄰的。成形后的信號隨后轉換成數字信號，并輸入到微處理器。德國和俄羅斯學者認為傳感器應是由二部分組成的，即直接感知被測量信號的敏感元件部分和初始處理信號的電路部分。按這種理解，傳感器還包含了信號成形器的電路部分。傳感器系統的性能主要取決于傳感器，傳感器把某種形式的能量轉換成另一種形式的能量。有兩類傳感器：有源的和無源的。有源傳感器能將一種能量形式直接轉變成另一種，不需要外接的能源或激勵源(參閱圖1-2(a))。有源(a)和無源(b)傳感器的信號流程無源傳感器不能直接轉換能量形式，但它能控制從另一輸入端輸入的能量或激勵能傳感器承擔將某個對象或過程的特定特性轉換成數量的工作。其“對象”可以是固體、液體或氣體，而它們的狀態可以是靜態的，也可以是動態(即過程)的。對象特性被轉換量化后可以通過多種方式檢測。對象的特性可以是物理性質的，也可以是化學性質的。按照其工作原理，傳感器將對象特性或狀態參數轉換成可測定的電學量，然后將此電信號分離出來，送入傳感器系統加以評測或標示。各種物理效應和工作機理被用于制作不同功能的傳感器。傳感器可以直接接觸被測量對象，也可以不接觸。用于傳感器的工作機制和效應類型不斷增加，其包含的處理過程日益完善。常將傳感器的功能與人類5大感覺器官相比擬： 光敏傳感器——視覺；聲敏傳感器——聽覺；氣敏傳感器——嗅覺；化學傳感器——味覺；壓敏、溫敏、流體傳感器——觸覺。與當代的傳感器相比，人類的感覺能力好得多，但也有一些傳感器比人的感覺功能優越，例如人類沒有能力感知紫外或紅外線輻射，感覺不到電磁場、無色無味的氣體等。對傳感器設定了許多技術要求，有一些是對所有類型傳感器都適用的，也有只對特定類型傳感器適用的特殊要求。針對傳感器的工作原理和結構在不同場合均需要的基本要求是： 高靈敏度，抗干擾的穩定性(對噪聲不敏感)，線性，容易調節(校準簡易)，高精度，高可靠性，無遲滯性，工作壽命長(耐用性) ，可重復性，抗老化，高響應速率，抗環境影響(熱、振動、酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力 ，選擇性，安全性(傳感器應是無污染的)，互換性 低成本 ，寬測量范圍，小尺寸、重量輕和高強度，寬工作溫度范圍 。二、傳感器的分類可以用不同的觀點對傳感器進行分類：它們的轉換原理(傳感器工作的基本物理或化學效應)；它們的用途；它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工藝等。根據傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學傳感器二大類：傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。大多數傳感器是以物理原理為基礎運作的。化學傳感器技術問題較多，例如可靠性問題，規模生產的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學傳感器的應用將會有巨大增長。常見傳感器的應用領域和工作原理列于表1.1。按照其用途，傳感器可分類為： 壓力敏和力敏傳感器 ，位置傳感器 ， 液面傳感器 能耗傳感器 ，速度傳感器 ，熱敏傳感器，加速度傳感器，射線輻射傳感器 ，振動傳感器，濕敏傳感器 ，磁敏傳感器，氣敏傳感器，真空度傳感器，生物傳感器等。以其輸出信號為標準可將傳感器分為： 模擬傳感器——將被測量的非電學量轉換成模擬電信號。數字傳感器——將被測量的非電學量轉換成數字輸出信號(包括直接和間接轉換)。膺數字傳感器——將被測量的信號量轉換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉換)。開關傳感器——當一個被測量的信號達到某個特定的閾值時，傳感器相應地輸出一個設定的低電平或高電平信號。
標簽： 集成 溫度傳感器 分類
上傳時間： 2013-10-11
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水聲換能器是利用晶體（石英或酒石酸鉀鈉）壓電陶瓷（鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛等）的壓電效應或鐵鎳合金的磁致伸縮效應來進行工作的。所謂壓電效應，就是把晶體按一定方向切成薄片，并在晶體薄片上施加壓力，在它的兩端面上會分別產生正電荷和負電荷。反之在晶體博片上施加拉伸力時，它的兩個端面上就會產生與加壓力時相反的電荷。
標簽： 換能器
上傳時間： 2013-10-10
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超聲電機是一種全新概念的新型電機，它利用壓電材料的逆壓電效應，使定子表面產生一定軌跡的微米量級的振動，進而通過摩擦耦合將振動動能轉換成轉子或滑塊的宏觀運動（轉動或平動）動能，文章探究了在不同予應力的作用下電機的頻率、相位對轉速的影響。該研究為超聲電機轉速的控制提供了理論依據。
標簽： 超聲電機 性能 實驗 測試
上傳時間： 2013-11-05
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超聲波電機利用壓電陶瓷的逆壓電效應，將電能轉變為機械振動，再通過摩擦作用將機械振動轉變為電機的旋轉（直線）運動，進而驅動負載。壓電陶瓷作為超聲波電機的振動發生器件，其性能的優劣直接影響到電機的輸出性能。本文采用傳統的固相反應法制備P-41和PMnS-PZN-PZT壓電陶瓷，研究壓電阿瓷在行被型超聲波電機中的應用及壓電性能對電機性能的影響.研究了P41和PMns-PZN-PZT壓電陶瓷材料的結構、性能、頻率溫度穩定性及極化方式對壓電陶瓷性能的影響。結果表明，這兩種材料都具有較好的介電溫度穩定性，P41具有明顯的鐵電體相變特點，PMns-PZN-PZT具有她豫-鐵電體相變特點。采用同時同向一次極化工藝改善了二次極化工藝所遺留的各極化區域ds不均勻、分區界面應力的存在導致的性能不穩定性，同時縮短了極化時間，提高了超聲波電機的輸出性能.P-41陶的極化采件為3kV/mm，120 ℃極化15 min，PMnS-PZN-PZT陶瓷的極化條件為3.5 kV/mm.140℃極化15 min.研究了P-41和PMnS-PZN-PZT壓電陶瓷的性能與超聲波電機性能的相關性，探討了電機的導納、負載、啟動與關斷和溫度特性。結果表明，電機具有較好的瞬態特性，啟動時間ams，關斷時間<l ms.采用P-41壓電陶瓷電機的啟動與關斷速度比PMnS-PZIN-PZT壓電陶登電機的快，與P41壓電陶瓷具有非弛豫相變特點有關，說明P41壓電陶瓷比較適用于需要反復開關的超聲電機.同時，P41電機的Qm較小而Aar比較大（TRUM-60 1型電機），具有較好的負載驅動能力。電機的表面溫度隨運轉時間的延長迅速升高，最終在某一溫度下穩定運轉，采用PMnS-PZN-PZT壓電陶瓷電機的表面溫度明顯低于采用P41壓電陶瓷的電機（TRLIM6011電機），與PMnS-PZN-PZT壓電陶瓷具有非常低的介電損耗有關，因此這種材料比較適用于需要長時間運轉的超聲波電機。預壓力對電機的性能影響很大，不同尺寸電機具有不同的驅動性能.
標簽： 壓電陶瓷 超聲波電機
上傳時間： 2022-06-18
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超聲波是一種能量存在的方式，超聲波通過高頻的振動作用于水介質，從而產生超聲空化效應，這種空化效應已經在超聲波清洗中得到應用，或者超聲波作用于傳聲媒介當中，能夠引起媒介之間發生不同的效應，已經在基礎學科研究和工程應用開發都表示出非常廣闊的應用前景[12]。按照超聲波研究內容上劃分，可以分為功率超聲和檢測超聲兩大領域Bl]。檢測超聲是工業及醫學檢查的一種方法之一，也被認為是弱超聲的“被動應用”，功率超聲主要是通過超聲接觸對接觸面進行高頻的振動摩擦，以改變介質的一些特性，所以功率超聲也被稱為“主動應用”[]。本課題主要是針對功率超聲波換能器進行研究。超聲波的產生主要依靠的是超聲波換能器。超聲波換能器是一種能夠進行機、電能量或者聲、電能量轉換的器件。對于功率超聲換能器而言，換能器通過壓電材料的壓電效應將輸入的高頻電能轉換成高頻振動的機械能量。換能器的種類有很多，應用的領域也不相同，如磁致伸縮超聲換能器間，壓電陶瓷換能器等等。目前研究最為廣泛的是壓電陶瓷換能器，壓電陶瓷換能器是依靠壓電陶瓷的壓電效應及逆壓電效應來實現能量的轉換。壓電陶瓷的壓電效應是由它的內部結構引起的，壓電材料主要有鈦酸鋇、錯鈦酸鉛、偏銳酸鉛、銳酸鉀鈉、鈦酸鉛等]。這些電介質在某一恰當的方向施加一定的外力時，會引起內部電極分布狀態發生改變，在介質的相對表面上會出現和外力成正比且極性相反的帶電電荷，這種由外力引起的電介質的現象叫做壓電效應則。相反，若在電介質上某一恰當的方向加上一定強度的外電場時，會引起電介質內部電極分布發生相應的變化，從而產生和外電場強度成正比的應變效應，這種由于外電場引起的電介質的應變現象叫做逆壓電效應]。功率超聲換能是超聲學領域中一個重要的分支學科。本課題主要針對壓電陶瓷式功率超聲波換能器展開研究。20世紀初期超聲波技術開始出現，而我國50年代才開始進行大功率超聲的研究[]。隨著科學技術的發展特別是電子技術的發展，如單片機、DSP、FPFA等微處理器得快速發展，微處理器功能越來越強大，運算速度越來也快，以及IGBT、MOSFET等功率器件的快速發展，功率器件的容量不斷的增加，響應速度不斷的提高。對超聲波發生器的要求也越來越高，體積越來越小，功能越來越強大，越來越智能，可靠性進一步提高。
標簽： 超聲波換能器
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