超声电机以压电陶瓷为换能装置,以定动子摩擦界面为传力介质,具有响应快、可断电自锁、无电磁干扰、低速大扭矩等特点,在先进制造、航空航天、生物医疗等领域取得了初步的应用。目前超声电机研究仍存在一些难题,制约了其在精密装备中的应用,例如:多参数非线性测试效率低、缺少高平稳性速度控制和高精度定位位置控制方法。针对上述难题,本文以提高超声电机速度稳定度与位置定位精度为目标,围绕超声电机的多参数驱动特性测试、建模分析方法以及高精度速度、位置控制方法等方面开展研究,为推进超声电机在精密装备中的应用提供理论和技术支撑。本文的研究工作包括以下几个方面:1、为克服传统超声电机测控系统参数调控不灵活、性能测试分析不全面等问题,设计了一种具备多参数快速测控功能的实验系统。解决了传统测控系统难以全面解决的预压力施加与监测、界面温度敏感与采集、高频信号可控生成与测量等问题,形成了标准化的测试流程。实验表明,研制的测试系统实现了对预压力等8项控制参数的在线精确调整和电压电流等13项过程参数的快速测量,可对电机启停过程的瞬态特性进行精确描述,实现了超声电机的多参数高精度调控功能,具有较好的控制集成能力,为超声电机非线性驱动特性建模分析与高精度控制研究提供了完整的测控平台和验证手段。2、为准确表征驱动参数与性能参数之间的非线性映射关系,提出了超声电机的机电耦合建模方法。所建机电耦合有效融合多参数驱动电路模型、电机本体模型。其中电机本体模型中的定转子接触问题采用定子齿离散化的建模思路,以解决传统模型接触建模不精细的问题。实验表明,在转速阶跃响应上,离散化接触模型比未离散化接触模型的响应快速性、稳态精度都得以提高,拟合度从55%提升到85%。此外,还通过电压、电流、有功功率和转矩-速度-效率特性等实验结果验证了模型的有效性。所提机电耦合模型可较全面地解析超声电机的位移、转矩与能量变化过程特性,为进一步开展特性分析和控制提供了理论依据。3、为掌握电机在不同工作状态的宏/微观信号变化规律,开展了超声电机启动-关断过程、换向过程以及稳态运行过程的驱动特性研究。研究表明,启动-关断过程的振幅衰减阶段和欠阻尼振动自锁阶段是影响步进分辨率的关键环节;在换向过程中,电压-电流-定子振幅-转矩-转速的切换是依次进行的,且频率越高切换时间越短;在稳态运动过程中,转速波动源于转轴不对中造成的接触压力不均匀,应在制造时减少定子齿面的粗糙度和转轴的径向跳动。在多参数驱动特性的分析方面,深入研究了转速与驱动参数之间的映射关系和预压力对界面接触特性、速度波动特性、长时温升特性和带载机械特性的影响规律,形成面向不同应用需求的预压力选取规则,为速度与位置的高精度控制策略优化提供了试验依据。4、在速度控制上,超声电机不仅控制参数多,且转速波动和换向过程瞬态跳变的非线性因素导致速度恒值控制和换向跟踪控制的性能难以提高。为有效描述超声电机的多参数、非线性调速特性,研究建立了包含稳态调速方程、动态传递函数及转速波动方程的Hammerstein速度模型,所建理论模型与实际特性的拟合度达87.5%,表明了模型的有效性;为有效抑制超声电机的转速波动,提出了一种“位置环+速度环”的双环复合控制策略,使电机在5°/s～72°/s指令区间内的速度稳定度优于0.5%,相比单速度环控制的精度提升了一倍;为解决超声电机在换向瞬间的转速跳变问题,设计了一种基于调和前馈的多参数复合控制方法。实验表明,相比幅值控制与频率控制,最大跟踪误差分别减少了3.5倍和4.4倍,有效地提高了超声电机的速度控制精度。5、超声电机的精密定位性能受编码器分辨率和瞬态驱动特性的影响,仍存在微步进分辨率影响因素不清、定位精度不高等问题。为分析微步进分辨率的影响因素,采用欠阻尼方程对步进运动过程中的定转子动力学行为进行了建模,测试了驱动参数、周期数和步进周期对分辨率的影响关系,提出了与周期数相关的正反向步进量预测模型。研究表明,关断后的固有频率、阻尼比与关断瞬间的振幅和速度密切相关,步进量预测模型可有效描述超声电机的微步进特性,明确控制参数对微步进分辨率的影响机理。为提高超声电机步进运动精度,设计了“连续运动+步进运动”的分段式逼近策略。控制结果表明,超声电机的角度分辨率可达0.375μrad,定位误差可达1.7μrad,有效提升了超声电机的精确定位能力。