CN103095173B - 一种超声波电动机闭环驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波电动机闭环驱动电路，采用A相、B相驱动电压幅值反馈信号和给定的电压幅值信号作为A相、B相PI控制器的输入，A相、B相PWM信号发生器采用专门的PWM调制电路芯片，两芯片共用一个时钟信号，使得产生的A相、B相PWM信号具有相同的频率，PWM调制电路芯片内置的运算放大器和该运算放大器对应的输入引脚连接的阻容电路组成PI控制器，A相、B相PI控制器中阻容电路并不相同，使得A相、B相脉冲占空比可以根据各自的需要进行调节，PI控制器通过调节PWM脉冲信号的占空比来调节A相、B相驱动电压的幅值，实现了超声波电机驱动电压幅值的闭环控制，电路结构更加简单，降低成本。

Description

一种超声波电动机闭环驱动电路

技术领域

本发明涉及一种超声波电动机闭环驱动电路。

背景技术

超声波电动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。超声波电动机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，超声波电动机有结构简单，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动机在航空航天、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。

超声波电动机需要特殊的电信号激励，其运行离不开驱动电路，超声波电动机及其驱动电路一起构成超声波电动机运动控制系统，该系统的性能在很大程度上取决于驱动电路的性能。现有的超声波电动机闭环驱动控制电路结构较为复杂，成本较高，一定程度上限制了其工业化应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声波电动机闭环驱动电路，用以解决现有超声波电机闭环驱动电路结构复杂、成本较高的问题。

    为实现上述目的，本发明的方案是：一种超声波电动机闭环驱动电路，包括A相和B相PI控制器、A相和B相PWM信号发生器、A相和B相驱动电压幅值反馈测量电路、分频调相电路、功率放大电路和A相和B相推挽驱动电路，所述A相、B相PI控制器根据给定电压幅值信号和所述A相、B相电压幅值反馈测量电路输出的A相、B相电压幅值反馈信号分别输出对应的控制信号给A相、B相PWM信号发生器，所述A相和B相PWM信号发生器分别输出占空比可调的方波信号，经过分频调相电路分频移相，形成四路驱动信号，再由功率放大电路放大后送入相应的A、B相推挽驱动电路，驱动电机正反转。

所述分频调相电路包括一个双向移位寄存器和四个与门，双向移位寄存器的相应输出分别与A、B相PWM信号发生器输出信号经过对应与门相与，形成所述四路驱动信号。

    所述双向移位寄存器为4位双向移位寄存器，其信号输出端Q0、Q2分别与A相PWM信号连入用于输出A相驱动控制信号的与门芯片信号输出端Q1、Q3分别与B相PWM信号连入用于输出B相驱动控制信号的与门芯片。

    所述A相、B相PWM信号发生器由TL494芯片构成,且共用一个时钟信号，所述TL494芯片内置有运算放大器，所述A相、B相PI控制器分别由各自的阻容电路与各自TL494芯片中的一个运算放大器组成，所述电压幅值反馈信号连入所述运算放大器的同相输入端，所述电压幅值的给定值信号连入所述运算放大器的反相输入端。

    所述4位双向移位寄存器的一个相位控制引脚连接选择开关，其时钟引脚连接A相PWM信号，所述选择开关还连接所述4位双向移位寄存器的复位引脚。

    所述推挽驱动电路由MOSFET和变压器组成。所述选择开关为拨码开关。

本发明达到的有益效果：本发明采用A相、B相驱动电压幅值反馈信号和给定的电压幅值信号作为A相、B相PI控制器的输入，A相、B相PWM信号发生器采用专门的PWM调制电路芯片，两芯片共用一个时钟信号，使得产生的A相、B相PWM信号具有相同的频率，PWM调制电路芯片内置的运算放大器和该运算放大器对应的输入引脚连接的阻容电路组成PI控制器，A相、B相PI控制器中阻容电路并不相同，使得A相、B相脉冲占空比可以根据各自的需要进行调节，PI控制器通过调节PWM脉冲信号的占空比来调节A相、B相驱动电压的幅值，实现了超声波电机驱动电压幅值的闭环控制，电路结构更加简单，降低成本。

PWM调制电路芯片内置的振荡器对应的输入引脚连接有一个滑动电阻，用以调节输出的PWM信号的频率，可以根据本发明超声波电机对驱动电压频率的要求，调整滑动电阻，使输出的PWM信号频率与本发明超声波电机要求的频率相匹配，工作过程更加可靠。

附图说明

图1是本发明超声波电机闭环驱动电路结构框图；

图2是本发明A相PWM信号发生器；

图3是本发明B相PWM信号发生器；

图4是本发明分频移相电路；

图5是本发明分频信号实测波形；

图6是本发明A相PWM信号功率放大器；

图7是本发明B相PWM信号功率放大器；

图8是本发明推挽驱动电路和驱动电压幅值反馈测量电路。

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。

如图1，A、B两相的驱动电压幅值测量电路输出的信号，分别反馈至各自PI控制器的输入端，与给定值相减得到控制误差作为各自PI控制器的输入，从而构成A相与B相电压幅值的闭环控制。推挽式驱动电路单元的工作，需要作用于其中电力电子器件的PWM控制信号，本实施例中，PWM控制信号由A相、B相PWM信号发生单元产生，A、B相PWM发生单元各自产生一路PWM信号，PWM控制信号的频率决定驱动电路输出交流驱动电压的频率，PWM控制信号的脉冲占空比决定驱动电路输出交流驱动电压的幅值大小。对于两相行波超声波电动机的推挽式驱动，每相需要两路互为反相的PWM信号，用于驱动一相推挽式电路单元中的两个功率开关管，每一相推挽式驱动电路需要两路PWM控制信号，两相共需要四路PWM控制信号，因此上述产生的PWM信号还需经过分频电路单元进行分频，同时，分频电路单元还兼具移相功能，使得该单元输出的两相PWM信号互差90°，分频移相单元输出的四路PWM信号，经信号放大环节进行功率放大，送入推挽式驱动电路单元，实现对电力电子器件开、关动作的控制。为保证超声波电机的正常工作，其两相交流驱动电压应具有相同的频率，本发明产生的这两个PWM信号，频率相同，相位相同，仅脉冲宽度（占空比）不同，分别与各自的驱动电压幅值要求相对应。

如图2，A相PWM信号发生器采用TL494芯片来产生PWM信号，与U1（TL494）的CT引脚相连的电容C2和与RT引脚相连的R2、R3，用来设定TL494输出PWM信号的频率：

设定R3和C2的大小可以满足不同类型的超声波电机对驱动电压频率的要求，通过可调电阻（电位器）R2来调节输出PWM信号的频率，可以根据电机对频率调节范围的要求及R3的大小，选定R2的阻值。

U1（TL494）内含两个运算放大器，其1in+、1in-和2in+、2in-引脚分别是这两个运算放大器的输入端，本实施例中，1in+、1in-引脚对应的内置运算放大器被用来与R20、R21、R22、R23、R24、C9元件一起，构成A相PI控制器。

U1（TL494）的FB引脚是其内含运算放大器的输出端，R24与C9并联连接于运算放大器的反相输入端（1in-引脚）与输出端（FB引脚）之间，A相反馈电压幅值测量信号UAFB从运算放大器的同相输入端（1in+引脚）经电阻R20引入，电压幅值的给定值信号UREF经电阻R23引入运算放大器的反相输入端，U1（TL494）的FB引脚作为A相PI控制器的输出信号，用来调节其输出PWM信号的占空比，进而实现对超声波电机驱动电压幅值的控制。本实施例中，电压幅值的给定值信号UREF是由电阻R21和电位器R22对电源电压Vcc分压得到的，可手动调节电位器R22以得到不同的电压幅值给定值。其他实施例中，UREF可来自上位机，亦可来自其它形式的输入。

如图3，U2的CT引脚直接与U1的CT引脚相连，U2的RT引脚则连接U2的参考电压源输出端（REF引脚，电压固定为5V）。这样，U2与 U1共用时钟信号，使A相、B相信号发生器输出的PWM信号具有相同的频率、相同的相位，而PWM信号的脉冲宽度（占空比）则根据两相各自的需要分别进行调节，具有不同值，这就在保证电机正常运行的前提下，实现了两相PWM占空比的各自单独调节，使得电机两相驱动电压的幅值可以各自单独地进行调节。

与U1相同，本实施例中，U2的1in+、1in-引脚对应的内置运算放大器被用来与R25、R28、R29、C10一起，构成B相PI控制器。

R29与C10并联连接于运算放大器的反相输入端与输出端之间，B相反馈电压幅值测量信号UBFB从运算放大器的同相输入端经电阻R25引入。电压幅值的给定值信号UREF经电阻R28引入运算放大器的反相输入端。本实施例中，B相PI控制器的定值信号UREF与A相PI控制器的UREF是同一信号，以使超声波电机两相具有相同的驱动电压幅值，从而使电机保持良好的工作状态。

如图4，A相推挽式驱动电路由MOSFET器件Q1、Q2与变压器T1构成，B相推挽式驱动电路由MOSFET器件Q3、Q4与变压器T2构成，两相推挽式电路单元的输出直接连接至输出接口J2，J2与超声波电机相连，实现对超声波电机的驱动控制。

由于驱动超声波电机的交流电压幅值通常为数百伏，需要降压才能连接到电源电压为低压的控制器。本实施例中，芯片电源电压仅为12V，图4中，R12、R13、R14构成对A相驱动电压的分压电路，测量电压值由电位器R13的滑动端引出，从而实现对驱动电压的降压处理，且降压比例可以根据需要，用电位器R13进行调节。这个分压得到的低压信号，仍然是有正有负的交流信号，还需通过二极管D1、电容C7构成的整流电路进行整流，才能得到可以反馈回控制器的A相反馈电压信号UAFB，与电容C7并联的R15，用来为C7提供放电回路。这个反馈信号UAFB接到A相PI闭环控制器的输入端，与给定值进行比较，得到误差量值，才能进行闭环控制。

同理，电阻R16、R17、R18构成对B相驱动电压的分压电路，二极管D2、电容C8构成其整流电路，R19用来为C8提供放电回路，最终得到B相反馈电压信号UBFB，UBFB接到B相PI闭环控制器的输入端。

如图5，本实施例的分频移相电路由4位双向移位寄存器U4（CD 40194）、或非门芯片U3（CD4025）、与门芯片U5（CD 4081）及拨码开关S1构成。

A相PWM信号发生电路的输出信号PWM1作为U4（CD40194）的时钟输入信号（U4的11脚），U4的输出Q0-Q3（12、13、14、15引脚）为四路占空比25%、互差90°的方波信号。本实施例中，Q0和Q2作为超声波电机A相的驱动控制信号，Q1和Q3作为B相的驱动控制信号。

CD40194有双向移位控制功能，通过设置U4的9、10引脚S0、S1为高电平或低电平，可以改变输出信号Q0-Q3的相位关系。当9、10引脚S0、S1的状态依次为高、低电平，则CD40194对串行正向移位；当9、10引脚S0、S1的状态依次为低、高电平，则CD40194串行反向移位。以Q0、Q1为例，正向移位时，Q0超前Q1信号90°；反向移位时，Q0则滞后Q1信号90°。由超声波电机驱动原理可知，Q0-Q3相位关系的变化，对应于电机的正、反转。由此，利用CD40194的双向移位功能，就可以实现对电机转向的控制。这就在分频的同时，实现了移相功能，得到了适合于超声波电机驱动相位要求的PWM信号。U4的9引脚S0的高电平或低电平，由拨码开关S1手动设置，并通过三输入或非门芯片U3C（CD4025）对S0取非，得到U4的10引脚S1的电平。

U4的2、7引脚DSR、DSL分别用来提供CD40194进行串行正向、反向移位的输入信号。将U4的输出信号Q0、Q1、Q2连接至三输入或非门芯片U3B（CD4025）三个输入端，或非门的输出连至U4的2引脚DSR，将U4的输出信号Q1、Q2、Q3连接至三输入或非门芯片U3A（CD4025）三个输入端，或非门的输出连至U4的7引脚DSL，保证了利用CD40194的移位功能实现四分频。

两位拨码开关S1的一位用来设置S0，另一位用来设置U4的1引脚MR的状态。U4的1引脚MR是该芯片的复位引脚，该引脚输入低电平，则芯片复位，所有输出信号Q0-Q3均置为低电平，后面的推挽式驱动电路单元不工作，不输出驱动电压，超声波电机因为无驱动电压而停转。所以，两位拨码开关S1的这一位是用来控制电机是否工作的。

经U4进行四分频可得到Q0-Q3四路信号。这四路信号的相互相位关系符合超声波电机两相推挽驱动电路的需求，但它们的占空比固定为25%，以Q0、Q1为例，分频后的信号波形如图6所示。固定的占空比不能实现驱动电压幅值的闭环控制，必需使得它们的占空比能够在A相、B相PI控制器的调节作用下连续变化，即Q0-Q3四路信号中，用作超声波电机A相的驱动控制信号的Q0和Q2，应具有和U1的输出信号PWM1相同的占空比；作为超声波电机B相的驱动控制信号的Q1和Q3，应具有和U2的输出PWM2相同的占空比。这一功能，由二输入与门芯片U5（CD 4081）实现， Q0信号与PWM1连入U5A的两个输入端，Q2与PWM1连入U5B的两个输入端，在U5A和U5B的输出端各输出一路占空比与PWM1相同的PWM信号。同理，Q1、Q3信号分别和PWM2相与，在U5C和U5D的输出端各输出一路占空比与PWM2相同的PWM信号，PWM1和PWM2的占空比不超过25%。这样，就得到了四路符合超声波电机驱动要求的PWM信号。

数字集成电路的输出信号，通常不具有控制电力电子器件所需的足够大的功率，所以，在将上述四路PWM信号施加于MOSFET栅极之前，还需要对这四路PWM信号进行功率放大， 如图7，本实施例的A相功率放大电路采用MOSFET专用驱动芯片IR4427，U6的输入引脚2、4分别连接U5A和U5B的输出端，并在U6的输出引脚7、5得到功率放大之后的PWM信号，这两个PWM信号经电阻R8、R9限流后施加于A相推挽式驱动电路的两个MOSFET器件Q1、Q2的栅极。与U5A和U5B输出的信号相比，U6输出的两个PWM信号的高、低电平的电压大小相同，仅仅是信号功率增大，即可提供的电流大幅度增加，满足MOSFET栅极驱动要求。

如图8，B相PWM信号功率放大电路也采用IR4427芯片，同A相PWM信号功率放大电路一样，U7的输入引脚2、4分别连接U5C和U5D的输出端，在引脚7、5得到两路输出信号，分别经电阻R10、R11限流后施加于B相推挽式驱动电路的两个MOSFET器件Q3、Q4的栅极。

Claims (6)

1.一种超声波电动机闭环驱动电路，其特征在于，包括A相和B相PI控制器、A相和B相PWM信号发生器、A相和B相驱动电压幅值反馈测量电路、分频调相电路、功率放大电路和A相和B相推挽驱动电路，所述A相和B相PI控制器根据给定电压幅值信号和所述A相和B相电压幅值反馈测量电路输出的A相和B相电压幅值反馈信号分别输出对应的控制信号给A相和B相PWM信号发生器，所述A相和B相PWM信号发生器分别输出占空比可调的方波信号，经过分频调相电路分频移相，形成四路驱动信号，再由功率放大电路放大后送入相应的A相和B相推挽驱动电路，驱动电机正反转；所述A相和B相PWM信号发生器由TL494芯片构成,且共用一个时钟信号，所述TL494芯片内置有运算放大器，所述A相和B相PI控制器分别由各自的阻容电路与各自TL494芯片中的一个运算放大器组成，所述A相和B相电压幅值反馈信号分别连入第一和第二运算放大器的同相输入端，所述给定电压幅值信号同时连入第一和第二运算放大器的反相输入端。

2.根据权利要求1所述的超声波电动机闭环驱动电路，其特征在于，所述分频调相电路包括一个双向移位寄存器和四个与门，双向移位寄存器的相应输出分别与A相和B相PWM信号发生器输出信号经过对应与门相与，形成所述四路驱动信号。

3.根据权利要求2所述的超声波电动机闭环驱动电路，其特征在于，所述双向移位寄存器为4位双向移位寄存器，其信号输出端Q0、Q2分别与A相PWM信号连入用于输出A相驱动控制信号的与门芯片，信号输出端Q1、Q3分别与B相PWM信号连入用于输出B相驱动控制信号的与门芯片；所述4位双向移位寄存器的时钟输入信号为A相PWM信号发生器的输出信号， 所述4位双向移位寄存器的引脚S0、S1为高电平或低电平。

4.根据权利要求3所述的超声波电动机闭环驱动电路，其特征在于，所述4位双向移位寄存器的一个相位控制引脚连接选择开关，其时钟引脚连接A相PWM信号，所述选择开关还连接所述4位双向移位寄存器的复位引脚。

5.根据权利要求1所述的超声波电动机闭环驱动电路，其特征在于，所述推挽驱动电路由MOSFET和变压器组成。

6.根据权利要求4所述的超声波电动机闭环驱动电路，其特征在于，所述选择开关为拨码开关。