CN102694482A - 一种超声波电机控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波电机控制电路，包括PWM信号发生器和驱动超声波电机的A、B两相桥式驱动电路，PWM信号发生器产生的PWM信号分别驱动所述A、B两相桥式驱动电路的开关管，A、B两相桥式驱动电路的交流侧均串设有串联匹配电感，所述A、B两相桥式驱动电路分别设置有用于调节对应相桥式驱动电路直流母线电压的Boost升压电路。本发明能够解决LC谐振电路升压不足的问题。

Description

一种超声波电机控制电路

技术领域

本发明涉及超声波电机，尤其涉及超声波电机的驱动控制技术领域。

背景技术

超声波电机是一种新型的运动控制执行元件，具有不同于传统电机的工作原理与结构。传统电机是利用磁场力推动转子或动子运动的，超声波电机则是利用压电材料的压电效应，靠摩擦力推动转子或动子运动的。与传统电机相比，超声波电机有结构简单，不需要线圈，重量轻，驱动部件形状灵活，无噪声，无磁场辐射干扰，功率质量比大，微位移直接驱动等诸多优点。这些优点使得超声波电机在航空航天、机器人、精密加工设备、医疗仪器、生物工程设备等高端运动控制领域及家用电器、汽车电子等普通运动控制领域都有着广泛的应用前景。

超声波电机是基于压电陶瓷材料的逆压电效应进行工作的。外加高频高压驱动信号作用于粘贴于定子上的压电陶瓷片，使其表面质点产生椭圆旋转运动，该运动经过定子齿槽机械构件的放大，驱动转子旋转。

超声波电机对其外加驱动信号的频率、幅值均有特定的要求。超声波电机的驱动电压范围一般为150-1000V(峰峰值)，具体数值主要取决于压电陶瓷片的性能要求。驱动电压过高会损坏压电陶瓷片；驱动电压过低，压电陶瓷片振幅太小，超声波电机不能正常工作。

超声波电机驱动频率一般为20-100kHz。如果外加驱动信号的频率与超声波电机定子的共振频率(包括转子的影响)相一致，则能够获得较大的振幅，对应于电机有较大输出功率；但输入电流过大，则效率下降，转子的运动也不稳定。实际的驱动频率设定在具有最佳工作状态的频率点上，且这个频率会随电机温度等运行参数的变化而在小范围内漂移。

不同的超声波电机具有不同的驱动电压工作范围和最佳工作频率。因而，超声波电机驱动电路不仅要能够输出高频高压信号，而且其频率、幅值都应该是可调的。

另外，对于常用的两相行波超声波电机，两相输出信号之间的相位差与超声波电机定子表面质点的椭圆运动模式直接相关。调节这个相位差能够改变电机输出转矩，进而达到控制电机转速的目的。这使得两相输出信号之间的相位差成为超声波电机控制系统中一个重要的可控变量。为了实现对相位差的控制，驱动控制电路应具有输出相位差调节功能。

综上所述，为使超声波电机正常工作并实现高性能的控制，对其驱动控制电路的基本要求是：

1)输出高频高压驱动信号；

2)输出信号频率可调；

3)输出电压幅值可调；

4)两相输出信号之间的相位差可调。

申请号为201010286489.5，201010286490.8，200710054583.6等相关专利文件都对超声波电机及其驱动控制有相关介绍，此处不再过多叙述。

目前，超声波电机驱动控制电路结构较为复杂，一定程度上限制了其工业化应用。特别是设计串联匹配电感时，难以保证超声波电机端电压达到需要的幅值。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声波电机控制电路，用以解决LC谐振电路升压不足的问题，另外为了进一步完善控制电路，本发明还提出了输出驱动信号的频率、幅值、相位均可调，可作为一种通用驱动电路应用于不同需求场合的全功能型的超声波电机低成本驱动控制电路。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种超声波电机控制电路，包括PWM信号发生器和驱动超声波电机的A、B两相桥式驱动电路，PWM信号发生器产生的PWM信号分别驱动所述A、B两相桥式驱动电路的开关管，A、B两相桥式驱动电路的交流侧均串设有串联匹配电感，所述A、B两相桥式驱动电路分别设置有用于调节对应相桥式驱动电路直流母线电压的Boost升压电路。

所述A、B两相桥式驱动电路均为半桥电路。

所述A、B两相桥式驱动电路的开关管为MOSFET。

所述PWM信号发生器输出的A、B两相PWM信号分别连接A、B相调相电路。

所述A、B相调相电路均包括一条串联电阻支路和一个接地电容(C8)，接地电容(C8)连接串联电阻支路的一端，该端为对应相调相电路的输出端，串联电阻支路的另一端为对应相调相电路的输入端，所述输入端与输出端之间反向连接有一个放电二极管(D3)。

所述A、B相调相电路连接均连接二分频电路，经二分频后产生的两相四路互差90°的用于驱动半桥驱动电路开关管的PWM控制信号。

一相调相电路包括第一D触发器，第一D触发器的输入端连接其反向输出端；另一相调相电路包括另第二D触发器，第二D触发器的输入端通过选择开关连接第一D触发器的正向输出端或反向输出端。

所述选择开关为拨码开关。

A、B相是指A相和B相，如调相电路和驱动电路等。

桥式驱动电路(开关器件采用MOSFET)将直流电压转换为高频方波驱动电压，施加于由串联匹配电感与超声波电机中的容性压电陶瓷片构成的LC谐振电路。串联匹配电感可以有效地滤除方波驱动电压中的高频谐波成分，实现近似的正弦波驱动。这里，串联匹配电感值的设计可以有两种不同的方法。一是以提高超声波电机端电压为目的，设计串联匹配电感值，使得LC电路在超声波电机工作频率发生谐振。即电感L取值为：

$L=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\πf}\right)}^2\·C}---\left(1\right)$

式中，f为超声波电机工作频率，C为超声波电机一相的等效电容。通常超声波电机工作频率都不是一个确定的值，而是在靠近超声波电机机械共振频率的一个小范围内变化的；用来计算电感值的工作频率数值，可取为超声波电机机械共振频率值。

分析LC谐振电路可知，当LC电路工作在其谐振频率时，超声波电机(容性)端电压并非其可能达到的最大值；该最大值出现在略低于谐振频率的工作点。所以，为了充分利用LC谐振的升压作用提高超声波电机端电压，可以取电感为小于式(1)计算值的某一数值，具体数值取决于电机、电感参数及其分布参数。

采用上述方法设计串联匹配电感值，将使得LC电路工作在其谐振状态附近。超声波电机两相的等效电容不会完全一致；而串联匹配电感的绕制也存在许多非理想因素，使得实际电感值与计算值(期望值)有差别；工作过程中，电机等效电容和匹配电感的大小也会随环境因素发生变化。这些原因使得两相LC电路的工作状态不一致，导致超声波电机两相端电压幅值不一致。同时，LC电路的作用，使电机端电压的相位与施加于LC电路两端的驱动电压相位不一致，即存在相移。而两相LC电路的工作状态不一致，在导致超声波电机两相端电压幅值不一致的同时，也会导致两相相移不一致，使得电机端实际驱动电压的相位差与期望值不同。

幅值偏差，尤其是相位偏差，增加了超声波电机控制系统前向通道中的控制非线性，使得控制进一步复杂化。如果是采用手动调节，这些非线性因素也会增加调节难度。

为了避免上述问题，串联匹配电感值的设计可以采用另一种方法。分析LC谐振电路的幅频、相频特性可知，在LC电路谐振频率附近，其幅值和相移的变化率大。而在偏离谐振频率较远的区域，其幅值和相移的变化率要小得多。如果设计串联匹配电感的取值，使得LC电路工作在偏离其谐振状态较远的区域，那么，即使两相LC电路的谐振频率不同、工作状态不一致，所导致的两相端电压幅值、相位偏差也会小得多。通常，这样的电感值可以通过下式计算得到：

$L=\frac{1}{{[2\mathrm{\π}\·\left(0.9f\right)]}^2\·C}---\left(2\right)$

采用上述方法设计串联匹配电感值，将使得LC电路工作在偏离其谐振状态的工作区域。由此带来的一个问题是，LC电路的升压作用将明显减弱。

不论采用上述两种方法中的哪一种来设计串联匹配电感，都不足以保证超声波电机端电压达到需要的幅值。这一方面是由于电机、电感的分布参数使得LC电路的品质因数不会很高，LC谐振升压作用有限；另一方面是由于超声波电机驱动电路输入电压通常为直流低压，例如本发明所述电路的输入电源电压为12VDC，以要求驱动电压峰峰值600V的超声波电机为例，其升压比要达到50。由于上述两方面的原因，仅由LC谐振电路升压，通常不能保证输出足够幅值的驱动电压。

因此，本发明所提电路设计中加入了Boost斩波电路，一方面，弥补LC电路升压的不足，保证超声波电机的正常运行。另一方面，可以实现幅值调节。如图1所示，驱动电路中包含两个Boost斩波电路单元，分别供给A、B两相驱动电压，以提高控制灵活性。

附图说明

图1是实施例2超声波电机控制电路结构框图；

图2是Boost电路图；

图3是PWM发生器电路；

图4是A相分频电路；

图5是分频电路时序图；

图6是B相分频电路；

图7是PWM信号实测波形图；

图8是A相调相电路；

图9是相位调节信号实测波形图；

图10是LC驱动电路图；

图11是A相Boost斩波输出电压波形与A、B相驱动电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

如图2所示为本发明的超声波电机控制电路的Boost升压电路。超声波电机控制电路如现有技术中，包括PWM信号发生器和驱动超声波电机的A、B两相桥式驱动电路，PWM信号发生器产生的PWM信号分别驱动所述A、B两相桥式驱动电路的开关管，A、B两相桥式驱动电路的交流侧均串设有串联匹配电感，Boost升压电路分为A、B两相，输出端分别作为A、B相桥式驱动电路的直流母线电压，如图所述VCCP1为A相直流母线电压。

如图2，由通用PWM发生器芯片TL494给出频率固定、脉宽可调的PWM驱动信号，经专用MOSFET驱动芯片IR4427放大，驱动Boost电路中的MOSFET工作，将输入电源电压VCC提升为VCCP(VCCP表示A、B相的直流母线电压；以下各图的标注中，VCCP1对应A相，VCCP2对应B相)。对于小功率应用场合，由于MOSFET开关电压与电流均较小，MOSFET可以直接由TL494输出驱动，或用三极管推挽驱动，不需要专门的驱动芯片。

Boost斩波电路中，PWM驱动信号脉宽设置为电位器手动调节(图2中电阻R1)，这样可以使该电路适合于不同超声波电机的实验研究。如果超声波电机固定，Boost电路输出电压幅值也就可以确定，可以由Boost电路输出端电压VCCP1引回反馈信号，通过电阻连接到图2中U1(TL494)的脚1IN+、1IN-或2IN+、2IN-，构成闭环结构，可以实现输出电压VCCP1的闭环自动控制，而不需手动调节。

Boost斩波电路的输出电压VCCP做为直流母线电压，直接作用于LC谐振电路中的MOSFET。

实施例2

本实施例提出了一种全功能型的超声波电机低成本驱动控制电路，该电路输出驱动信号的频率、幅值、相位均可调，可作为一种通用驱动电路应用于不同需求场合。下面给出了电路结构，分析了工作原理，并进行了实验验证，效果良好。

图1所示为本实施例超声波电机驱动控制电路的基本结构框图。该控制电路也包括Boost升压部分(关于此部分，不再过多叙述)。Boost斩波电路的输出电压VCCP(以下各图的标注中，VCCP1对应A相，VCCP2对应B相)做为直流母线电压，直接作用于LC谐振电路中的MOSFET(参见下文图10)，用来提高电机端电压值。电路其它部分的电源仍为输入电源电压VCC，与VCCP无关。

对于两相行波超声波电机，图1中的PWM发生单元产生两路互差90度的PWM信号，经相位调节、分频等环节，生成两相四路PWM控制信号，再经信号放大环节驱动开关器件动作。

图3给出了驱动电路中PWM发生单元的原理图，由TL494实现。TL494的工作频率可由下式近似确定：

$f_{\mathrm{osc}}\≈\frac{1.1}{(R11+R12)\·C7}---\left(3\right)$

图3中，R11为可调的电位器。由式(3)可知，调节R11可使TL494输出适当频率的PWM信号。图3所示电路中，TL494输出信号的脉宽设定为最大值。

两相超声波电机的驱动需要两相四路互差90°的PWM控制信号，上述图3电路输出的是两路互差180°的PWM信号，这两路信号需要分别通过二分频电路来生成两相四路互差90°的PWM信号。

二分频电路是一种基本数字电路，通常由D触发器构成。图4给出了一相(A相)PWM信号的二分频电路原理图。图中芯片CD4013为双上升沿D触发器。

图5给出了两相分频电路的时序图。由图5可以看出，二分频电路输出信号的占空比固定为50％，频率为TL494输出信号频率的1/2。调节图3中的R11，就可以调节PWM控制信号的频率。对于不同的超声波电机，可以选择合适的R、C(图3中的R11、R12和C7)数值使频率可调范围与超声波电机的需求相适应。

如果B相PWM信号的二分频电路同样采用图4所示结构，则A、B两相二分频电路互相独立。考虑电路上电开始工作时刻的电路状态。此时，两个D触发器的输出状态都不确定，输出Q可能是高电平，也可能是低电平。而且，此时图3所示PWM发生单元中TL494给出的两路PWM控制信号的先后次序也不确定，可能是PWM1在先，也可能是PWM2在先。分析图5可知，由此将导致两相分频电路输出的两相PWM控制信号的相位关系不确定。一次上电得到的是PWMA1超前PWMB1信号90°(如图5所示)，下一次上电就可能是PWMA1滞后PWMB1信号90°。

PWMA1与PWMB1信号之间的超前、滞后关系，对应于电机的正转或反转。它们之间的相位关系不确定，也就意味着每次驱动电路上电后，电机的转向不确定。这样的驱动电路是没有实用价值的。为解决这一问题，必须在A、B两相二分频电路之间建立联系，形成约束关系。图6给出了B相PWM信号的分频电路原理图。图中分频D触发器的输入D信号不是来自于其反向输出，而是来自于A相分频D触发器的输出信号PWMA1、PWMA2。当PWMA1作为B相分频D触发器的输入D信号，将保证PWMA1超前PWMB1信号，如图7实测波形所示，对应于电机正转；当PWMA2作为B相的D信号，则使PWMA1滞后PWMB1信号，对应于电机反转。PWMA1和PWMA2之间的选择，亦即电机正反转的控制，由图6所示的拨码开关S2实现。

前面已经分析了PWM发生单元和分频电路。由上述分析可知，分频电路给出的两相PWM信号之间的相位差可以是+或-90°，不能任意调节。为了实现对相位差的调节，在PWM发生单元与分频电路之间，加入了图8所示的调相环节。图8所示为A相的调相电路，B相与之完全相同。

相位调节是通过RC电路实现的。如图8为A相的调相电路(B相相同)，R15、R16与C8构成RC充电回路，当PWM发生单元的输出信号PWM1为高电平时，对C8充电，PWM11信号幅值逐渐上升。当PWM1跃变为低电平时，C8通过二极管D3快速放电，PWM11信号幅值迅速下降。这样反复进行充放电，得到的PWM11信号为图9所示的准锯齿波。该信号连接到图4所示分频电路，作为D触发器的时钟输入；因为只有当输入信号幅值高于某一特定值时，才会被认为是高电平，所以图8电路的作用就是将PWM1信号的上升沿后移了一定角度。调节电位器R16，可以改变电容充电速率，亦即可以调节相位。

分频电路给出的两相四路PWM控制信号，经信号放大环节驱动开关器件动作，输出适当的电压驱动超声波电机旋转。

图10给出了两相LC驱动电路的原理图。LC谐振电路是一种基本的电路形式，其工作原理不再详述。图10中MOSFET的驱动使用了专用驱动芯片IR2110。

上述设计已成功应用于超声波电机驱动控制，图11给出了超声波电机驱动电压实测波形。使用该电路可以对超声波电机的开环、闭环控制进行研究。实践证明，该设计实现方便，性能可靠。

本发明针对超声波电机工业化规模应用的需求，提出了一种全功能型的超声波电机低成本驱动控制电路，该电路输出驱动信号的频率、幅值、相位均可调，可作为一种通用驱动电路应用于不同需求场合。

Claims (8)

1.一种超声波电机控制电路，包括PWM信号发生器和驱动超声波电机的A、B两相桥式驱动电路，PWM信号发生器产生的PWM信号分别驱动所述A、B两相桥式驱动电路的开关管，A、B两相桥式驱动电路的交流侧均串设有串联匹配电感，其特征在于，所述A、B两相桥式驱动电路分别设置有用于调节对应相桥式驱动电路直流母线电压的Boost升压电路。

2.根据权利要求1所述的一种超声波电机控制电路，其特征在于，所述A、B两相桥式驱动电路均为半桥电路。

3.根据权利要求1所述的一种超声波电机控制电路，其特征在于，所述A、B两相桥式驱动电路的开关管为MOSFET。

4.根据权利要求2所述的一种超声波电机控制电路，其特征在于，所述PWM信号发生器输出的A、B两相PWM信号分别连接A、B相调相电路。

5.根据权利要求4所述的一种超声波电机控制电路，其特征在于，所述A、B相调相电路均包括一条串联电阻支路和一个接地电容（C8），接地电容（C8）连接串联电阻支路的一端，该端为对应相调相电路的输出端，串联电阻支路的另一端为对应相调相电路的输入端，所述输入端与输出端之间反向连接有一个放电二极管（D3）。

6.根据权利要求4所述的一种超声波电机控制电路，其特征在于，所述A、B相调相电路连接均连接二分频电路，经二分频后产生的两相四路互差90°的用于驱动半桥驱动电路开关管的PWM控制信号。

7.根据权利要求6所述的一种超声波电机控制电路，其特征在于，一相调相电路包括第一D触发器，第一D触发器的输入端连接其反向输出端；另一相调相电路包括另第二D触发器，第二D触发器的输入端通过选择开关连接第一D触发器的正向输出端或反向输出端。

8.根据权利要求7所述的一种超声波电机控制电路，其特征在于，所述选择开关为拨码开关。

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