随着科技的发展,各行各业对精密领域提出了更高的要求,直线超声电机便在这种呼声中应运而生。直线超声电机以压电陶瓷为基础,是一种综合应用材料学、机械设计学、电学、自动控制学等学科于一身的高新技术产品。本文结合相关学科,分别对T形电机的相关理论及其机械结构、驱动系统和控制方法进行了研究,主要研究内容如下:(1)完成了相关理论分析。本文以压电方程为基础,分析了压电陶瓷两个电学量(外加电场、电位移)和两个力学量(应力、应变)之间的关系,确定了所使用的逆压电效应方程。同时,研究了压电陶瓷的振动模式,将沿厚度方向振动的压电陶瓷片层叠起来,应用于直线超声电机的定子中。研究完压电陶瓷的性能和使用方式之后,需要对电机的机械结构进行设计。(2)设计了直线超声电机的机械结构。首先对国内外现有直线超声电机的机械结构进行比较分析,确定了本文研究对象的T形结构,并通过理论分析验证了设计的可行性。然后,通过SolidWorks建立了该机械结构的三维模型,并导入到ANSYS Workbench进行相关仿真分析。仿真分析主要进行了模态分析,确定工作模态,并对电机结构的尺寸进行优化,确保两阶工作模态间频率差值尽量小;谐响应分析,进一步验证谐振响应是发生在工作模态频率下;瞬时动力学分析,验证电机定子驱动足处的运动轨迹是否满足理论要求的椭圆形状。(3)研究了直线超声电机的驱动系统。由于直线超声电机对外呈现的是容性特性,所以首先采用了串联电感匹配电路消除这种电容干扰。然后通过对国内外超声电机驱动系统的现状进行研究,确定本文采用DDS技术产生驱动信号。并通过放大和滤波等调理电路对信号进行处理,从而使信号能够满足驱动压电陶瓷片的要求。最后为了保证能对驱动信号的参数进行实时的调整,本文采用上下位机的形式保证人机交互。上位机设计了客户端软件,实现对驱动信号的实时显示和调整,下位机是以STM32单片机为核心的驱动信号产生、调理电路。(4)确定了直线超声电机的控制方法。首先对国内外直线超声电机控制方法进行研究,确定适合本文的控制方法。根据直线超声电机的工作原理,分别进行了输出稳定性控制和输出速度控制。在速度控制方面,通过Matlab仿真分析对比了PID控制和模糊PID控制的效果,确定了模糊PID对直线超声电机速度的控制要更优异。(5)搭建了实验平台,对驱动系统和样机进行了测试。