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南京航空航天大学
硕士学位论文
直线超声电机驱动的精密平台及其控制方法研究
姓名:毛新丰
申请学位级别:硕士
专业:机械电子工程
指导教师:孙志峻
2011-03
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
随着精密工程若干领域的快速发展,对其关键技术之一,精密定位技术的需求也日益增长,
它要求系统具有微/纳米尺度的重复定位精度及分辨率。
直线超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应激发弹性体的超声振动,通过定子和动子间的
摩擦作用,把弹性体的微幅振动转换成动子宏观的直线运动,直接推动负载,因其响应快、断
电自锁、无需运动转换机构,故将其应用于精密定位平台,可获得极高的定位精度及分辨率。
本文以改进后的直线超声电机为驱动部件,选用高精度的直线滚动导轨和高分辨率的光栅
编码器,搭建了结构简单、导向精度高、精度保持性好的直线精密平台。
在平台的软硬件方面,采用 TMS320F2812DSP 作为核心控制器,PC 机作为上位机,利用
上下位机间的串行通讯搭建起了完整的测控平台。根据平台不同动作,设计了异步串行通讯协
议,并以 LabVIEW 作为开发平台,设计了具备多种功能的上位机操作界面,下位机 DSP 也进
行了相应的程序开发,包括串行通讯和电机实时控制。
在平台的位置精确控制上,首先应用了较为成熟的 PID 控制算法,发现其无法达到理想的
控制目标—准、稳、快和鲁棒性强;继而通过理论和实验数据分析,发现了问题在于平台的惯
性位移过大;为了解决惯性位移问题,借助直线超声电机在极短脉冲激励下运行高分辨率的优
势,本文提出了微步控制的思想,并将其融合于 PID 控制中,最终使系统达到了非常好的控制
品质,实现了平台运行的控制目标。实验数据表明,在 µm 光栅精度的控制中,平台在不同
行程下的重复定位精度均保持在 µm 以内,且运行平稳。

关键词:直线超声电机,精密定位,DSP,LabVIEW,串行通讯,PID,微步控制
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直线超声电机驱动的精密平台及其控制方法研究
ABSTRACT
With the rapid development of a number of fields in precision engineering, the demand for one of
its key technologies-precise positioning technology, is also growing. It requires the system reaching
micro/nano scale of the repeat positioning accuracy and resolution.
Linear ultrasonic motor(LUSM) is a novel motor utilizing the mechanical vibration of elastic
body in the ultrasonic frequency scale that is generated by the inverse piezoelectric effect of
piezoelectric ceramics. Through the friction between the stator and the promoter, the slight vibration
of elastic body converts to linear motion of the promoter. Because of its fast response, self-locking
when power off and no motion conversion mechanism, it is suitable to be applied to precision
positioning platform, to get higher positioning accuracy and resolution.
Firstly, the original structure of linear ultrasonic motor is improved. And the new motor is used
as a drive unit. With a high-precision linear rolling guide and a high-resolution grating encoder, a
linear precision platform is established. It ha