能量回饋型超音波電機的構造理論與關鍵技術研究

《能量回饋型超音波電機的構造理論與關鍵技術研究》是依託浙江工商大學，由王光慶擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：能量回饋型超音波電機的構造理論與關鍵技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王光慶
• 依託單位：浙江工商大學

項目摘要

超音波電機的優良特性使其在微型機器人的驅動控制中得到廣泛的套用。由於受其摩擦驅動機理的限制，超音波電機的能量轉換效率低，這嚴重限制了它在許多有限能量場合中的套用，如密封惡劣環境中工作的微型機器人。因此，研究振動能量採集與回饋的方法將超音波電機的振動能量回收轉換成電能，並定期向密封惡劣環境中工作的微型機器人提供電能。本項目將探索研究能量回饋型超音波電機的構造理論與關鍵技術，並研製出至少一種能量回饋型超音波電機樣機。研究內容包括：（1）能量回饋型超音波電機的工作機理與關鍵結構設計；（2）能量回饋型超音波電機的理論模型、設計方法；（3）超音波電機能量轉換系統與儲能系統耦合動力學行為；（4）能量回饋型超音波電機的驅動與控制特性；（5）能量回饋型超音波電機的製備科學與綜合試驗。本項目目標是研製集驅動與發電一體化的高效節能型超音波電機，為微型機器人在密封惡劣環境中的持續穩定工作

結題摘要

能量回饋型超音波電機是一種集驅動與能量採集功能於一體的新型超音波電機，可以解決現有驅動器件自供電問題，但有諸多科學問題值得探索。為此開展了以下研究：能量回饋型超音波電機的工作機理與關鍵結構設計；電機理論模型與設計方法；電機能量採集系統模型與轉換拓撲電路；電機驅動與控制特性；電機製備科學與綜合試驗。 1、 提出了一種改進的壓電陶瓷極化分區形式，設計了一體式和分體式兩種能量回饋型超音波電機結構，建立了兩種電機定子結構的有限元模型，最佳化設計並分析了定子參數和採集區負載電阻對其頻率特性、振動特性以及電特性的影響。 2、 考慮定子結構剛度不對稱性，提出了電機定子等效雙模機械振動模型；建立了電機定轉子接觸面力傳遞模型及其修正；利用修正後的Hamilton原理及粘彈性接觸理論建立了電機動力學模型；基於正壓電效應和彎曲振動理論，首次建立了電機能量採集數學模型；分析了驅動電壓、驅動頻率、預壓力、負載力矩以及採集區負載電阻等對電機振動特性、機械特性和電輸出特性的影響，形成了電機結構與能量最佳化設計理論。 3、 提出了電機能量採集系統的新型機電耦合等效電路模型，首次給出了能量採集系統的能量流圖，分析了不同接口拓撲電路下的系統能量組成，建立了系統電荷-電壓軌跡圖。形成了標準整流濾波(SIC)、同步開關電感(SSHI)和能量自給同步開關電感(SP-SSSHI)能量採集轉換拓撲電路技術；揭示了拓撲電路與採集系統之間多時間尺度非線性耦合動力學行為以及作用機制。 4、 提出了一種基於模糊PID的線上識別電機控制策略，具有誤差小、計算量小和易於實現等特點，速度誤差在3%以內。形成了基於555振盪技術、DSP2407 和DSP2808處理器的三種驅動控制電源技術。研製了兩種能量回饋型超音波電機樣機合計6套，搭建了電機性能測試平台，開展了電機綜合性能實驗研究，結果表明電機性能達到了設計指標要求。 5、 開展了壓電能量採集器的關鍵理論與技術研究，形成了振動能量採集器的最佳化設計方法。此外，開展了兩種新型超音波電機研究。