CN103414376B - 内置角度传感器一体化超声电机伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

内置角度传感器一体化超声电机伺服控制系统，涉及对超声电机的伺服控制。它包括指令模块、补偿模块、数字处理模块、驱动板和一体化执行机构；指令模块向补偿模块发出指令，补偿模块将指令转换为频率控制信号并发送至数字处理模块；数字处理模块将频率控制信号处理为方波信号并发送至驱动板，驱动板将方波信号放大后输入到一体化执行机构中，一体化执行机构为内置角度传感器的空心超声电机，角度传感器反馈速度位置信息，经驱动板、数字处理模块到达补偿模块，通过比较、补偿和转换，产生新的频率控制信号发送至驱动板，实现闭环控制。本发明具有高可靠性、高精度和良好的环境适应性，特别适合用作多自由度平台的轴端伺服控制系统。

Description

内置角度传感器一体化超声电机伺服控制系统

技术领域

本发明涉及对超声电机的控制，特别是涉及对空心超声电机的速度和位置的伺服控制。

背景技术

超声电机是一种利用压电元件的逆压电效应激发超声振动，通过定子和转子间的摩擦驱动，实现将电能转化为机械能输出的新型直接驱动电机，其中行波型超声电机的应用最为广泛。目前的行波型超声电机不仅结构不够紧凑，而且没有一体化的伺服控制系统，难以形成对空心超声电机的闭环控制，成为制约超声电机小型化和自动化发展的瓶颈。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了内置角度传感器一体化超声电机伺服控制系统，实现了对超声电机的闭环控制，整个控制系统力矩干扰小、低速大转矩、控制精度高、布线方便、结构紧凑。

本发明的技术解决方案是：内置角度传感器一体化超声电机伺服控制系统，包括指令模块、补偿模块、数字处理模块、驱动板和一体化执行机构；所述指令模块向补偿模块发出速度位置指令，补偿模块将速度位置指令进行存储、运算和转换，产生频率控制信号并发送至数字处理模块；数字处理模块将频率控制信号处理为方波信号并发送至驱动板，驱动板将方波信号放大处理后输入到一体化执行机构中，一体化执行机构开始运转；所述一体化执行机构包括超声电机和角度传感器，所述角度传感器嵌于超声电机的内部，角度传感器敏感超声电机的速度值和位置值，并转换为模拟信号反馈至数字处理模块，数字处理模块将所述模拟信号进行解码处理后，得到数字信号并反馈至补偿模块，补偿模块通过比较、补偿和转换，产生新的频率控制信号并发送至数字处理模块，数字处理模块将新的频率控制信号处理为新的方波信号并发送至驱动板，实现对超声电机的闭环控制。

所述补偿模块包括比较器、速度位置控制器、频率运算器；比较器接收来自指令模块的速度位置指令并进行存储，速度位置控制器将速度位置指令转换为指向超声电机的速度和位置的控制量并发送给频率运算器，频率运算器将所述控制量转换为频率控制信号并发送至驱动板；比较器还接收来自数字处理模块反馈的数字信号，所述数字信号包含超声电机的速度值和位置值，并将所述速度值和位置值与已存储的速度位置指令进行比较，得到速度位置补偿值；所述速度位置补偿值进入速度位置控制器中，得到速度位置控制量并发送至频率运算器中进行转换，产生新的频率控制信号发送至数字处理模块。

所述补偿模块还包括温度补偿器和温度比较器，所述指令模块还发出温度指令，补偿模块中有与温度指令对应的比较器，所述温度指令进入对应的比较器，比较器对温度指令进行存储；所述超声电机的定子的外表面有温度传感器，温度传感器敏感超声电机的温度值，并转换为模拟信号反馈至数字处理模块，数字处理模块将模拟信号进行数字化处理后，得到数字信号并反馈至与温度指令对应的比较器，比较器将包含温度值的数字信号和已存储的温度指令进行比较，得到温度补偿值；所述温度补偿值进入温度补偿器中得到温度控制量并发送至频率控制器，频率控制器将温度控制量和速度位置控制量进行叠加，并转换为新的频率控制信号发送至数字处理模块。

所述超声电机为空心超声电机，所述空心超声电机包括定子、转子、底座、外壳和轴承，所述定子由金属基体和压电元件组成，所述金属基体为空心的环形金属且上表面开有齿槽，金属基体与底座固定连接，所述压电元件固定于金属基体的下表面；所述转子包括法兰和转轴，法兰和转轴连接，法兰与金属基体的齿槽相接触，用于输出超声电机的力矩，所述转轴为空心结构；所述外壳位于法兰的上方，并与底座固定连接；所述轴承有两个，均与转轴配合，其中一个轴承位于法兰和转轴的连接处，用于使法兰产生预变形，提供定子与转子之间所需的预压力；所述角度传感器包括空心结构的角度传感器定子、角度传感器转子和引线；角度传感器定子与空心超声电机的定子的内表面配合，角度传感器转子与空心超声电机的转子的转轴的外表面配合，角度传感器的引线与数字处理模块连接。

所述空心超声电机的转子的转轴和法兰为一体化成型结构，转子的结构为“十”字型，法兰位于“十”字型的水平方向，转轴位于“十”字型的竖直方向。

所述驱动板包括变压器和电路板，所述变压器嵌于电路板中；所述变压器的外部套有变压器罩，所述变压器罩与电路板固定连接。

所述的角度传感器为旋转变压器。

所述的角度传感器为圆光栅。

所述的角度传感器为角度编码器。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

（1）本发明设计了一种针对超声电机的伺服控制系统，实现了对超声电机的速度和位置的精确的闭环控制；

（2）本发明在伺服控制系统中实现对超声电机的温度补偿控制，避免环境温度变化和温升使压电陶瓷产生频漂，影响超声电机的速度和位置控制。

（3）本发明设计了角度传感器与空心超声电机结构一体化执行机构，该执行机构提高了超声电机的内部空间利用率，整个执行机构的轴向尺寸可缩短20%～40%。同时该种结构易于布线，特别适合用作多自由度平台的轴端伺服控制系统。

（4）本发明通过设计超声电机转轴与法兰一体化成型的转子结构，保证了法兰与金属基体的接触面与转轴具有较高的垂直度，避免了分体情况下的高精度机加工和装配工艺要求；“十”字形的转子结构，保证了其两端安装的两个轴承具有较好的同轴度。

（5）本发明通过设计嵌入式的驱动板结构，在保证驱动板电性能的基础上，进一步增强了整个伺服控制系统的结构紧凑度。

（6）本发明通过将旋转变压器嵌入超声电机内部，提高了整个伺服控制系统的可靠性、精度和环境适应性。

（7）本发明通过将圆光栅嵌入超声电机内部，使整个伺服控制系统具有极高的精度。

（8）本发明通过将角度编码器嵌入超声电机内部，降低了整个伺服控制系统的成本，扩大了系统的用户群体。

附图说明

图1本发明的系统结构图；

图2本发明中驱动板的结构图；

图3本发明中内置旋转变压器的空心超声电机的结构图；

图4本发明中金属基体的半剖图；

图5本发明中压电陶瓷的正面结构图；

图6本发明中压电陶瓷的反面结构图；

图7本发明中的空心超声电机的转子的半剖图；

图8本发明中的空心超声电机的转子的底视图；

图9旋转变压器的半剖图；

图10旋转变压器的俯视图；

图11圆光栅的俯视图；

图12角度编码器封装壳的正视图；

图13角度编码器封装壳的俯视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括指令模块、补偿模块、数字处理模块、驱动板和一体化执行机构。

由于本发明实现的是对超声电机的闭环控制，所以下面按照初次正向控制和反馈回路控制分别说明本发明的结构和工作原理。初次正向控制是指首次发出指令，没有反馈信号时，指令对超声电机完成的驱动控制过程。反馈回路控制是指当一体化执行机构发出反馈信息后，控制系统针对反馈信息再次做出控制的过程。

a.初次正向控制

指令模块向补偿模块发出速度位置指令，速度位置指令设定本发明中超声电机的角速度和角位置。如果需要对超声电机进行温度补偿控制的话，指令模块还可以发出温度指令。

补偿模块包括比较器、速度位置控制器、频率运算器。如果需要对超声电机进行温度补偿控制的话，补偿模块中还包括温度补偿器。比较器接收来自指令模块的指令，可以仅是速度位置指令，也可以包括来自指令模块的温度指令，这两种不同的指令分别对应不同的比较器，两种指令对应的比较器的结构和工作原理均相同。与温度指令对应的比较器将温度指令进行存储，用于反馈回路控制中。与速度位置指令对应的比较器将速度位置指令进行存储，速度位置控制器将速度位置指令转换为指向超声电机的速度位置控制量并发送给频率运算器。速度位置控制器由数字信号处理器（也称DSP）来实现，速度位置控制量的具体表现形式是一个占空比数值。频率运算器将占空比数值转换为控制超声电机的频率控制信号，即超声电机的驱动频率和相位差数值：当占空比值为50%时，相位差为0，超声电机停止；占空比值大于50%时，相位差为90°，超声电机正转，占空比值越大，则频率值越接近超声电机的共振频率，电机转速越快；当占空比值小于50%时，相位差为-90°，超声电机反转，占空比值越小，则频率值越接近超声电机的共振频率，转速越快。

数字处理模块实现三种功能：数字化处理、方波转换、解码处理。数字化处理由可编程门阵列（也称FPGA）实现，将数值信号转化为高低电平信号；解码处理由模/数转换电路实现，将模拟信号解码为数字信号。在初次正向控制中，数字化处理模块实现的是方波转换功能，将频率控制信号转换为方波信号。所谓方波信号为两路相位相差为90°且周期性变化的高低电平信号。

驱动板接收来自数字处理模块的方波信号，并进行放大处理，得到两路高压方波信号。一般来说，驱动板利用输入其中的方波信号驱动开关管，输出两路方波信号，并将此方波信号放大，如将15～28V的方波信号放大到75V～168V。驱动板包括变压器和电路板。所述变压器嵌于电路板中。如图2所示，变压器包括变压器骨架1、变压器绕线2和引线3；变压器骨架1与电路板4配合，电路板4开有通孔，变压器绕线2沉入电路板4的通孔中，变压器引线3从变压器绕线2中穿出，用于接收和输出高低电平信号。变压器的外部套有变压器罩5，变压器罩5与电路板4固定连接。目前，现有技术中一般将变压器全部放在电路板上方，采用插针连接电路板，进行输入输出电信号。本发明设计的驱动板结构可将整体高度降低40%～50%。在保证驱动板电性能的基础上，进一步增强了整个伺服控制系统的结构紧凑度。

一体化执行机构包括超声电机和角度传感器，角度传感器嵌于超声电机的内部，形成内置角度传感器一体化超声电机。超声电机的种类不限，本发明设计了一种结构紧凑、易于布线的空心超声电机。如图3所示，空心超声电机包括定子6、转子7、底座8、外壳9和轴承10。定子6由金属基体11和压电元件12组成。金属基体11的材料可以为硬铝、黄铜、锡青铜、锰青铜、硅青铜、铍青铜或铁镍合金中的任一种。如图4所示，金属基体11为阶梯状的空心圆形金属环。结合图3来看，金属基体11的外缘的上表面沿圆周方向开有齿槽。金属基体11与底座8固定连接，如螺纹连接。金属基体11的内孔与角度传感器定子15配合。本发明的空心超声电机的转子7包括法兰13和转轴14。金属基体11的上表面的齿槽与法兰13的外缘的下表面压紧，齿槽起放大切向振动的作用。压电元件12固定于金属基体11的下表面，固定的方式可以为粘贴，粘接剂为爱牢达（英文名：Araldite）类环氧树脂胶，该种粘接剂耐高温、粘接牢固，并有效传递压电元件12的振动。如图5-6所示，压电元件12是压电陶瓷，它的A相与B相分别通高压交流电，相位相差90°，压电陶瓷材料的型号可以是PZT-4、PZT-5、或PZT-8中的任一种。本发明的空心超声电机的转子7包括法兰13和转轴14。转轴的材料可以是硬铝、不锈钢或45号钢中的任一种。法兰13与转轴14连接，如图7-8所示，转子可以采取法兰13与转轴14一体化成型结构，转子7的结构为“十”字型，法兰13位于“十”字型的水平方向。转轴14位于“十”字型的竖直方向。这种结构保证了法兰13与金属基体11的接触面与转轴具有较高的垂直度，避免了分体情况下的高精度机加工和装配工艺要求；法兰13外缘的下表面与金属基体11的上表面接触，用于输出超声电机的力矩；转轴为空心结构，转轴的下端设置有键槽17，实现电机转速、转矩的输出。外壳9位于法兰13的上方，并与底座8固定连接，如螺纹连接；轴承有两个，均与转轴配合，保证转轴旋转后具有很好的同轴度。其中一个轴承位于法兰13和转轴的连接处，用于使法兰13产生预变形，提供定子6与转子7之间所需的预压力。

当驱动板给压电元件12输入两路高压的方波信号时，利用压电元件12的逆压电效应，在定子6金属基体11中产生两路相位相差90°的驻波振动，叠加合成一路行波超声波振动，转子7在预压力的作用下与定子6接触，通过两者间的摩擦力驱动转子7转动，超声电机开始运转。

b.反馈回路控制

当超声电机开始运转后，本发明通过内置于超声电机内部的角度传感器及相关的控制系统，实现对超声电机的闭环控制。

角度传感器是伺服机构，它包括角度传感器定子15、角度传感器转子16和引线18。本发明设计了角度传感器与超声电机结构一体化执行机构，该执行机构提高了超声电机的内部空间利用率，整个执行机构的轴向尺寸可缩短20%～40%，该种结构易于布线，即在其空心结构的空心处走导线，或者安装导电滑环，为平台系统供电，特别适合用作多自由度平台的轴端伺服控制系统。角度传感器整体呈空心圆环结构，角度传感器定子15与角度传感器转子16固定于超声电机定子6的内部；角度传感器定子15与空心超声电机的定子6的内表面配合，角度传感器转子16的内表面与空心超声电机的转子7的转轴的外表面配合，角度传感器的引线与数字处理模块中的模/数转换电路连接。

图3所示为旋转变压器内嵌于本发明中的空心超声电机的具体实施例。如图9-10所示，旋转变压器包括角度传感器定子15、角度传感器转子16和引线18，角度传感器定子15和角度传感器转子16均具有空心结构，角度传感器转子16位于角度传感器定子15的内孔内，角度传感器定子15和角度传感器转子16均由铁芯、绕组、机加套和引线构成，铁芯是由高磁导率、高电阻率的电工硅钢片或铁镍软磁合金片冲剪后粘结叠压而成，在角度传感器定子15铁芯的内孔和角度传感器转子16铁芯的外圆上有均匀分布的槽，用于在角度传感器定子15铁芯的内孔和角度传感器转子16铁芯的外圆上缠绕导线，分别形成角度传感器定子绕组和角度传感器转子绕组，绕组上分离出部分导线分别作为角度传感器定子和角度传感器转子的引线。角度传感器定子15的机加套位于角度传感器定子15外圆，角度传感器转子16的机加套位于角度传感器转子16的内孔，机加套均用于与外部结构配合连接。

旋转变压器定子15的机加套与超声电机的定子6的金属基体11的内孔过盈配合，旋转变压器转子16的机加套与超声电机的转子7的转轴的外圆过盈配合。旋转变压器的引线均与数字处理模块中的模/数转换电路相连，用于敏感超声电机的转子7转动的角速度和角位置，即速度值和位置值，并转换为模拟信号发送至数字处理模块的模/数转换电路中，模/数转换电路将模拟信号转换为数字信号，并发送至补偿模块的比较器中。旋转变压器提高了整个伺服控制系统的可靠性、精度和环境适应性。

当角度传感器为图11所示的圆光栅时，圆光栅的定子是具有长方体结构的光学滤波读数头，圆光栅的转子是外圈带刻度的钢环，圆光栅的定子在圆光栅的转子的外部，且其光学滤波读数头对准圆光栅转子7的外圈刻度。圆光栅的定子嵌入到超声电机的定子6的内部，并与底座8固定连接。圆光栅的转子的内圆与超声电机的转子7的转轴14的外圆过盈配合。圆光栅的转子无引线，圆光栅的定子的引线与数字处理模块中的模/数转换电路相连，用于敏感超声电机的转子7的角速度和角位置，即速度值和位置值，并转换为模拟信号发送至数字处理模块的模/数转换电路中，模/数转换电路将模拟信号转换为数字信号，经数字处理转换为速度值和位置值发送至补偿模块的比较器中。

当角度传感器为角度编码器时，如图12-13所示,角度编码器的定子和转子封装在角度编码器封装壳内部，角度编码器具有空心结构。角度编码器的封装壳与超声电机的底座8固定连接。角度编码器的封装结构置于超声电机的定子6的内部，角度编码器的转子7位于角度编码器的空心内环部分，超声电机的转子7的转轴插入角度编码器的空心内环的内部，与角度编码器的转子7的内圆过盈配合。角度编码器的引线与数字数字处理模块中的模/数转换电路相连，用于敏感超声电机转子7转动的角速度和角位置，即速度值和位置值，并转换为模拟信号发送至数字处理模块的模/数转换电路中，模/数转换电路将模拟信号转换为数字信号，经数字处理转换为速度值和位置值发送至补偿模块的比较器中。角度编码器的使用降低了整个伺服控制系统的成本，扩大了系统的用户群体。

数字处理模块对接收到的模拟信号进行解码，得到包含速度值和位置值的数字信号，即为高低电平信号，经数字处理转换为速度值和位置值，并反馈至补偿模块。补偿模块中与速度位置指令相对应的比较器接收上述速度值和位置值，并将其与速度位置指令进行比较，得到速度位置补偿值。速度位置补偿值进入速度位置控制器中，得到速度位置控制量并发送至频率运算器中进行转换，产生新的频率控制信号发送至数字处理模块。数字处理模块将新的频率控制信号处理为新的方波信号并发送至驱动板，实现对超声电机的闭环控制。

如果对超声电机进行温度补偿控制的话，可以避免环境温度变化和温升使压电陶瓷产生频漂，影响超声电机的速度和位置控制。超声电机的定子6的外表面贴有温度传感器，温度传感器敏感超声电机的温度值，并转换为模拟信号反馈至数字处理模块中的模/数转换器，数字处理模块将包含温度值的模拟信号进行数字化处理后，得到包含温度值的数字信号，即高低电平信号，经数字处理转换为温度值，并反馈至补偿模块。补偿模块中与温度指令相对应的比较器接收温度值，并与温度指令进行比较，得到温度补偿值，温度补偿值进入温度补偿器中，在温度补偿器将温度补偿值换算成对应的频率控制量，并发送至频率控制器，频率控制器将来自温度补偿器的频率控制量和来自速度位置控制器的速度位置控制量进行迭加，并将迭加的值转换为新的频率控制信号发送至数字处理模块，数字处理模块将新的频率控制信号处理为新的方波信号并发送至驱动板，实现对超声电机的闭环控制。

本发明是不仅实现了对内置角度传感器一体化超声电机的速度和位置的闭环控制，而且该种控制的精度高。对于内置圆光栅的一体化超声电机，其位置控制精度可高达到5”以内；对于内置旋转变压器的一体化超声电机，其位置控制精度可达到10”；对于内置角度编码器的一体化超声电机，其位置控制精度也可高达±5”。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.内置角度传感器一体化超声电机伺服控制系统，其特征在于：包括指令模块、补偿模块、数字处理模块、驱动板和一体化执行机构；所述指令模块向补偿模块发出速度位置指令，补偿模块将速度位置指令进行存储、运算和转换，产生频率控制信号并发送至数字处理模块；数字处理模块将频率控制信号处理为方波信号并发送至驱动板，驱动板将方波信号放大处理后输入到一体化执行机构中，一体化执行机构开始运转；所述一体化执行机构包括超声电机和角度传感器，所述角度传感器嵌于超声电机的内部，角度传感器敏感超声电机的速度值和位置值，并转换为模拟信号反馈至数字处理模块，数字处理模块将所述模拟信号进行解码处理后，得到数字信号并反馈至补偿模块，补偿模块通过比较、补偿和转换，产生新的频率控制信号并发送至数字处理模块，数字处理模块将新的频率控制信号处理为新的方波信号并发送至驱动板，实现对超声电机的闭环控制；所述超声电机为空心超声电机，所述空心超声电机包括定子(6)、转子(7)、底座(8)、外壳(9)和轴承(10)，所述定子(6)由金属基体(11)和压电元件(12)组成，所述金属基体(11)为空心的环形金属且上表面开有齿槽，金属基体(11)与底座(8)固定连接，所述压电元件(12)固定于金属基体(11)的下表面；所述转子(7)包括法兰(13)和转轴(14)，法兰(13)和转轴(14)连接，法兰(13)与金属基体(11)的齿槽相接触，用于输出超声电机的力矩，所述转轴(14)为空心结构；所述外壳(9)位于法兰(13)的上方，并与底座(8)固定连接；所述轴承(10)有两个，均与转轴(14)配合，其中一个轴承(10)位于法兰(13)和转轴(14)的连接处，用于使法兰(13)产生预变形，提供定子(6)与转子(7)之间所需的预压力；所述角度传感器包括空心结构的角度传感器定子(15)、角度传感器转子(16)和引线(18)；角度传感器定子(15)与空心超声电机的定子(6)的内表面配合，角度传感器转子(16)与空心超声电机的转子(7)的转轴(14)的外表面配合，角度传感器的引线(18)与数字处理模块连接。

2.根据权利要求1所述的内置角度传感器一体化超声电机伺服控制系统，其特征在于：所述补偿模块包括比较器、速度位置控制器、频率运算器；比较器接收来自指令模块的速度位置指令并进行存储，速度位置控制器将速度位置指令转换为指向超声电机的速度和位置的控制量并发送给频率运算器，频率运算器将所述控制量转换为频率控制信号并发送至驱动板；比较器还接收来自数字处理模块反馈的数字信号，所述数字信号包含超声电机的速度值和位置值，并将所述速度值和位置值与已存储的速度位置指令进行比较，得到速度位置补偿值；所述速度位置补偿值进入速度位置控制器中，得到速度位置控制量并发送至频率运算器中进行转换，产生新的频率控制信号发送至数字处理模块。

3.根据权利要求2所述的内置角度传感器一体化超声电机伺服控制系统，其特征在于：所述补偿模块还包括温度补偿器和温度比较器，所述指令模块还发出温度指令，补偿模块中有与温度指令对应的比较器，所述温度指令进入对应的比较器，比较器对温度指令进行存储；所述超声电机的定子的外表面有温度传感器，温度传感器敏感超声电机的温度值，并转换为模拟信号反馈至数字处理模块，数字处理模块将模拟信号进行数字化处理后，得到数字信号并反馈至与温度指令对应的比较器，比较器将包含温度值的数字信号和已存储的温度指令进行比较，得到温度补偿值；所述温度补偿值进入温度补偿器中得到温度控制量并发送至频率控制器，频率控制器将温度控制量和速度位置控制量进行叠加，并转换为新的频率控制信号发送至数字处理模块。

4.根据权利要求1所述的内置角度传感器一体化超声电机伺服控制系统，其特征在于：所述空心超声电机的转子(7)的转轴(14)和法兰(13)为一体化成型结构，转子(7)的结构为“十”字型，法兰(13)位于“十”字型的水平方向，转轴(14)位于“十”字型的竖直方向。

5.根据权利要求1所述的内置角度传感器一体化超声电机伺服控制系统，其特征在于：所述驱动板包括变压器和电路板，所述变压器嵌于电路板中；所述变压器的外部套有变压器罩，所述变压器罩与电路板固定连接。

6.根据权利要求1所述的内置角度传感器一体化超声电机伺服控制系统，其特征在于：所述一体化执行机构为内置旋转变压器的空心超声电机。

7.根据权利要求1所述的内置角度传感器一体化超声电机伺服控制系统，其特征在于：所述一体化执行机构为内置圆光栅的空心超声电机。

8.根据权利要求1所述的内置角度传感器一体化超声电机伺服控制系统，其特征在于：所述一体化执行机构为内置角度编码器的空心超声电机。