多自由度微型驱动器设计与分析

本书主要论述多自由度微型驱动器的设计与分析方法。通过深入分析和探讨，逐本溯源，提出一种新型单PZT定子多自由度杆式行波型压电超声驱动方法，为多自由度驱动器的微型化提供了一种新的思路和解决方案。本书的研究内容如下：多自由度杆式行波型超声驱动器运动机理分析（对多自由度杆式行波型超声驱动器的运动机理进行分析，详细探讨定子驱动点的运动轨迹，总结驱动器实现三自由度输出的规律）、微型驱动器机电耦合分析（针对新型多自由度杆式行波型压电超声驱动器，提出一种三维通电的设计思想，从而可以同时激励驱动器定子的两个振动模态，以实现驱动器的三自由度运动输出）、微型驱动器定子有限元分析与优化（利用有限元方法对驱动器定子的振动进行分析，证实驱动器工作时所需的多种模态）、微型驱动器多通道控制器的设计（针对单PZT定子多自由度杆式行波型压电超声驱动器，采用DDS技术设计研制了一套四路频率可调、相位可鉴和电压可变的交流电源）、微型驱动器设计与实验测试（设计三自由度杆式行波型超声驱动器样机，针对微型驱动器的制作及装配方法进行深入探讨；针对微型驱动器样机进行阻抗实验、输出性能测试）。总之，本书通过理论建模、仿真分析及实验验证等手段，对新型单PZT定子多自由度杆式行波型压电超声驱动器进行了有意义的探索。 本书可作为高等工科院校机械工程、自动化、机器人工程、电子信息等专业研究生的参考书，也可供从事微型驱动器设计的工程技术人员自学参考。

严亮__eol__北京航空航天大学教授、博士生导师，毕业于新加坡南洋理工大学获工学博士学位。__eol__长期从事新型驱动器理论与应用、人工智能与机器人技术等研究。承担国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家科技创新2030“新一代人工智能”重大项目、国家973子课题、国家863机器人重大专项课题等科研几十项。在领域内很好学术期刊及国际会议发表论文200余篇，出版多部Springer英文专著。担任国际机器与机构学理论联合会 (IFToMM)机器人与机械电子委员会委员、IEEE工业电子协会电机委员会委员、中国航空学会机电委员会委员、中国航空学会导航制导与控制委员会委员等。担任10多个IEEE/ASME会议的程序与出版主席、创办IEEE机载机电国际会议及导航制导与控制国际会议。__eol

目 录 第1章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 多自由度超声驱动器微型化的发展趋势 4 1.3 多自由度超声驱动器的研究现状 5 1.3.1 梳齿多定子行波型驱动器 6 1.3.2 球面单定子行波型驱动器 9 1.3.3 杆式单定子行波型驱动器 11 1.3.4 板式单定子驻波型驱动器 19 1.3.5 其他类型驱动器 22 1.3.6 多自由度超声驱动器微型化存在的问题 22 1.4 本书的内容设置 22 第2章 多自由度杆式行波型超声驱动器的运动机理 25 2.1 引言 25 2.2 杆的振动模态 26 2.2.1 杆的纵向振动 26 2.2.2 杆的弯曲振动 28 2.3 杆的多模态叠加 31 2.3.1 两相弯曲振动叠加 32 2.3.2 纵向振动和弯曲振动叠加 37 2.4 本章小结 40 第3章 微型多自由度杆式行波型超声驱动器的设计与分析 41 3.1 引言 41 3.2 驱动器构型与机电耦合机理 42 3.2.1 驱动器构型 42 3.2.2 机电耦合机理 45 3.3 PZT内部电场求解 48 3.4 定子的模态理论分析 60 3.4.1 定子的纵向振动 60 3.4.2 定子的弯曲振动 63 3.5 PZT机电耦合分析 71 3.5.1 单模态机电耦合 72 3.5.2 多模态机电耦合 78 3.6 定子的有限元优化设计 81 3.6.1 基于有限元分析软件的参数优化 81 3.6.2 优化结果与最终参数 86 3.7 定子的谐响应分析 92 3.8 本章小结 95 第4章 微型多自由度杆式行波型超声驱动器控制器设计 96 4.1 引言 96 4.2 驱动器组件加工 96 4.3 PZT上电极 98 4.4 定子零部件粘接 101 4.4.1 金属驱动片与PZT粘接 101 4.4.2 PZT与氧化铝陶瓷板粘接 102 4.4.3 导线粘接 102 4.5 驱动器的整体装配 103 4.6 本章小结 104 第5章 微型多自由度杆式行波型超声驱动器的实验研究 105 5.1 引言 105 5.2 驱动器实验平台搭建 106 5.2.1 交流电源的硬件电路 106 5.2.2 交流电源的软件设计 111 5.2.3 DDS工作原理 111 5.2.4 基于Verilog HDL硬件描述语言的FPGA程序设计 113 5.2.5 交流电源的输出测试 117 5.3 定子模态测试 119 5.4 驱动器输出性能测试 124 5.5 本章小结 133 参考文献 135