CN104993736B - 一种超声电机驱动控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种超声电机驱动控制装置及控制方法，涉及电机控制技术领域，能够有效调节和稳定超声电机运行的转速和转矩。本发明的方法包括：接收超声电机的激励电压和激励电流的反馈信号，通过积分环节将方波信号转换为三角波信号，并根据三角波信号与激励电压和激励电流的反馈信号进行调制，并得到调制后的方波信号，再在进行功率放大后，输入超声电机。本发明适用于超声电机的驱动控制。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种超声电机驱动控制装置及控制方法。
背景技术
超声电机是一种利用压电陶瓷元件的逆压电效应，激发弹性体振动和通过摩擦传动原理的新型电机,与一般电磁电机相比，超声电机具有能直接输出低转速大力矩、瞬态响应快、定位精度高等优点，因此广泛应用于航空、航天、医疗、微机电系统领域。
在现有的超声电机驱动控制电路中，通过稳定功率输出部分的母线电压，实现超声电机激励电压的稳定，并满足如附图1所示的等效电路。但是在实际应用中出现了以下问题：在大功率激励、长时间连续运行和负载频繁变化的场景下，超声电机的核心部件(如压电陶瓷)会出现严重的非线性，其等效电机参数(电容Cm、电感Lm、电阻Rm等)不再是恒定的常值，会随着激励电压发生显著的变化，从而造成电机的控制系统难以有效调节转速和转矩，影响电机正常工作。
发明内容
本发明的实施例提供一种超声电机驱动控制装置及控制方法，能够在超声电机出现严重的非线性情况时，跟踪激励电压并实现驱动控制。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明的实施例提供一种超声电机驱动控制装置，包括：信号发生模块(1)、分相模块(2)、激励电压跟踪模块(3)、功率输出模块(4)和频率跟踪模块(6)；
所述信号发生模块(1)用于发出方波信号，所述方波信号经所述分相模块(2)发送至所述激励电压跟踪模块(3)；
所述激励电压跟踪模块(3)用于接收所述超声电机(7)的激励电压和激励电流的反馈信号，并通过积分环节将所述方波信号转换为三角波信号，并根据所述三角波信号与所述激励电压和所述激励电流的反馈信号进行调制，并得到调制后的方波信号；
所述功率输出模块(4)接收所述激励电压跟踪模块(3)发送的调制后的方波信号，并在进行功率放大后，输入所述超声电机(7)。
第二方面，本发明的实施例提供一种超声电机驱动控制方法，所述方法用于一种系统，所述系统包括：信号发生模块(1)、分相模块(2)、激励电压跟踪模块(3)、功率输出模块(4)和频率跟踪模块(6)；
所述激励电压跟踪模块(3)通过积分环节将方波信号转换为三角波信号，所述方波信号由所述信号发生模块(1)发出并经所述分相模块(2)发送至所述激励电压跟踪模块(3)；
接收所述超声电机(7)的激励电压和激励电流的反馈信号，并根据所述三角波信号与所述反馈信号进行调制，并得到调制后的方波信号；
通过所述功率输出模块(4)将所述调制后的方波信号进行功率放大，并输入所述超声电机(7)。
本发明实施例提供的超声电机驱动控制装置及控制方法，能够采集超声电机的激励电压和激励电流的反馈信号，并通过积分环节以及调制过程，自动调节超声电机的激励电压的幅值从而稳定激励电压，使得当超声电机的等效参数和负载发生波动时，尤其是在大功率激励、长时间连续运行和负载频繁变化的场景下，能够有效调节和稳定超声电机运行的转速和转矩。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为现有技术中电机的等效电路图；
图2为本发明提供的超声电机驱动控制装置的结构示意图；
图3为本发明提供的超声电机驱动控制装置中的激励电压跟踪模块的逻辑流程示意图；
图4为本发明提供的超声电机驱动控制装置中的激励电压跟踪模块的电路结构示意图；
图5为本发明提供的超声电机驱动控制装置中的激励电压跟踪模块的调制信号波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种超声电机驱动控制装置，如图2所示的，包括：信号发生模块(1)、分相模块(2)、激励电压跟踪模块(3)、功率输出模块(4)和频率跟踪模块(6)。
信号发生模块(1)用于发出方波信号，方波信号经分相模块(2)发送至激励电压跟踪模块(3)。
激励电压跟踪模块(3)用于接收超声电机(7)的激励电压和激励电流的反馈信号，并通过积分环节将方波信号转换为三角波信号，并根据三角波信号与激励电压和激励电流的反馈信号进行调制，并得到调制后的方波信号。
功率输出模块(4)接收激励电压跟踪模块(3)发送的调制后的方波信号，并在进行功率放大后，输入超声电机(7)。
在本实施例中，分相模块(2)，具体用于将信号发生模块(1)产生的方波信号分为两相相差90°的两路方波信号，并发送至激励电压跟踪模块(3)。当产生的方波信号分为两相，则两相的振幅相等，且两相的相位相差为90°，此时定子表面质点的切向速度为：
其中，ωn为振动频率，WO为驻波振幅，
定子表面质点的切向速度与驻波振幅成正比。在一定范围内驱动电压与驻波振幅成线性关系。因而，通过调节驱动电压的幅值，可以实现对超声电机的控制。由超声电机等效电路可知，流过Rm中的电流是定子振动速度的函数，跟电机转速成正比。激励电压与超声电机的输出力矩成正比。因此，可以通过超声电机输入电流和激励电压的反馈，实现超声电机转速和力矩的控制。超声电机驱动控制电路采用负载谐振功率变换技术，通过改变输出方波的占空比调节激励电压的幅值。超声电机输入电流由电流传感器取样，激励电压由分压电阻取样，经整流滤波交-直变换后，反馈送入PWM调制电路，与激励频率确定的三角波比较，实现激励电压的闭环控制。
激励电压跟踪模块(3)，具体用于采集超声电机(7)的激励电压、电流，并用于根据激励电压、电流，通过比例积分环节得到反映电机运行状态的直流信号，并将直流信号向超声电机(7)发送。
在本实施例中，激励电压跟踪模块(3)中所执行的分析过程的逻辑流程，可以如图3所示，在如图3所示的分析过程中，S1、S2、S3、S4的信号波形如图5所示。并且，基于如图3所示的激励电压跟踪模块(3)中的分析过程，在本实施例的优选方案中，提供了一种如图4所示的电路结构图，用于在激励电压跟踪模块(3)上采用如图4所示的电路结构来实现分析过程。
超声电机(7)，用于根据直流信号进行电机激励电压、电流的双闭环反馈控制。
进一步的，激励电压跟踪模块(3)，具体还用于根据分相模块(2)发送的两路信号进行积分环节，并得到三角波信号。再通过激励电压跟踪模块(3)中的调制比较器，根据直流信号与三角波信号生成具有占空比的方波调制信号，并向功率输出模块(4)发送。
进一步的本实施例的装置，还包括：保护模块(5)与激励电压跟踪模块(3)和功率输出模块(4)相连，用于对功率输出模块(4)进行限流、限压和热保护。
本发明实施例提供的超声电机驱动控制装置，能够采集超声电机的激励电压和激励电流的反馈信号，并通过积分环节以及调制过程，自动调节超声电机的激励电压的幅值从而稳定激励电压，使得当超声电机的等效参数和负载发生波动时，尤其是在大功率激励、长时间连续运行和负载频繁变化的场景下，能够有效调节和稳定超声电机运行的转速和转矩。
本发明实施例提供一种超声电机驱动控制方法，方法用于一种如图2所示的系统，系统包括：信号发生模块(1)、分相模块(2)、激励电压跟踪模块(3)、功率输出模块(4)和频率跟踪模块(6)。
101，激励电压跟踪模块(3)通过积分环节将方波信号转换为三角波信号，方波信号由信号发生模块(1)发出并经分相模块(2)发送至激励电压跟踪模块(3)。
102，接收超声电机(7)的激励电压和激励电流的反馈信号，并根据三角波信号与反馈信号进行调制，并得到调制后的方波信号。
103，通过功率输出模块(4)将调制后的方波信号进行功率放大，并输入超声电机(7)。
其中，在101之前，还包括：
100，通过分相模块(2)将信号发生模块(1)产生的方波信号分为两相相差90°的两路方波信号，并发送至激励电压跟踪模块(3)。
在本实施例中，可以在激励电压跟踪模块(3)中布置如图4所示的电路结构，从而来实现如图3所示的分析过程。因此，基于本实施例提供的装置，本实施例提供的超声电机驱动控制方法，还可以实现为：
201，激励电压跟踪模块(3)采集超声电机(7)的激励电压、电流。
202，根据激励电压、电流，通过比例积分环节得到反映电机运行状态的直流信号，并将直流信号向超声电机(7)发送，以便于超声电机(7)根据直流信号进行电机激励电压、电流的双闭环反馈控制。
203，根据分相模块(2)发送的两路信号进行积分环节，并得到三角波信号。再通过激励电压跟踪模块(3)中的调制比较器，根据直流信号与三角波信号生成具有占空比的方波调制信号，并向功率输出模块(4)发送，以便于功率输出模块(4)根据具有占空比的方波调制信号调整超声电机(7)的运行功率。
进一步的，在方法的执行过程中，还包括：通过保护模块(5)对功率输出模块(4)进行限流、限压和热保护。
本发明实施例提供的超声电机驱动控制方法，能够采集超声电机的激励电压和激励电流的反馈信号，并通过积分环节以及调制过程，自动调节超声电机的激励电压的幅值从而稳定激励电压，使得当超声电机的等效参数和负载发生波动时，尤其是在大功率激励、长时间连续运行和负载频繁变化的场景下，能够有效调节和稳定超声电机运行的转速和转矩。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种超声电机驱动控制装置，其特征在于，包括：信号发生模块(1)、分相模块(2)、激励电压跟踪模块(3)、功率输出模块(4)和频率跟踪模块(6)；
所述信号发生模块(1)用于发出方波信号，所述方波信号经所述分相模块(2)发送至所述激励电压跟踪模块(3)；
所述激励电压跟踪模块(3)用于接收所述超声电机(7)的激励电压和激励电流的反馈信号，并通过积分环节将所述方波信号转换为三角波信号，并根据所述三角波信号与所述激励电压和所述激励电流的反馈信号进行调制，并得到调制后的方波信号；
所述功率输出模块(4)接收所述激励电压跟踪模块(3)发送的调制后的方波信号，并在进行功率放大后，输入所述超声电机(7)；
所述激励电压跟踪模块(3)，具体用于采集超声电机(7)的激励电压、电流；
所述激励电压跟踪模块(3)，具体用于根据所述激励电压、电流，通过比例积分环节得到反映电机运行状态的直流信号，并将所述直流信号向所述超声电机(7)发送；
所述超声电机(7)，用于根据所述直流信号进行电机激励电压、电流的双闭环反馈控制；
所述激励电压跟踪模块(3)，具体还用于根据所述分相模块(2)发送的两路信号进行积分环节，并得到三角波信号；再通过所述激励电压跟踪模块(3)中的调制比较器，根据所述直流信号与三角波信号生成具有占空比的方波调制信号，并向所述功率输出模块(4)发送；所述分相模块(2)，具体用于将信号发生模块(1)产生的方波信号分为两相相差90°的两路方波信号，并发送至所述激励电压跟踪模块(3)；
当产生的方波信号分为两相，则两相的振幅相等，且两相的相位相差为90°，此时定子表面质点的切向速度为：
其中，ωn为振动频率；WO为驻波振幅，h表示所述定子结构参数，即电机定子表面与中性层的距离；λ表示所述定子所产生的行波波长。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：保护模块(5)与所述激励电压跟踪模块(3)和所述功率输出模块(4)相连，用于对所述功率输出模块(4)进行限流、限压和热保护。
3.一种超声电机驱动控制方法，其特征在于，所述方法用于一种系统，所述系统包括：信号发生模块(1)、分相模块(2)、激励电压跟踪模块(3)、功率输出模块(4)和频率跟踪模块(6)；
所述激励电压跟踪模块(3)通过积分环节将方波信号转换为三角波信号，所述方波信号由所述信号发生模块(1)发出并经所述分相模块(2)发送至所述激励电压跟踪模块(3)；
接收所述超声电机(7)的激励电压和激励电流的反馈信号，并根据所述三角波信号与所述反馈信号进行调制，并得到调制后的方波信号；
通过所述功率输出模块(4)将所述调制后的方波信号进行功率放大，并输入所述超声电机(7)；
所述激励电压跟踪模块(3)采集超声电机(7)的激励电压、电流；
根据所述激励电压、电流，通过比例积分环节得到反映电机运行状态的直流信号，并将所述直流信号向所述超声电机(7)发送，以便于所述超声电机(7)根据所述直流信号进行电机激励电压、电流的双闭环反馈控制；
根据所述分相模块(2)发送的两路信号进行积分环节，并得到三角波信号；再通过所述激励电压跟踪模块(3)中的调制比较器，根据所述直流信号与三角波信号生成具有占空比的方波调制信号，并向所述功率输出模块(4)发送，以便于所述功率输出模块(4)根据所述具有占空比的方波调制信号调整所述超声电机(7)的运行功率；
在所述激励电压跟踪模块(3)通过积分环节将方波信号转换为三角波信号之前，还包括：通过所述分相模块(2)将所述信号发生模块(1)产生的方波信号分为两相相差90°的两路方波信号，并发送至所述激励电压跟踪模块(3)；
当产生的方波信号分为两相，则两相的振幅相等，且两相的相位相差为90°，此时定子表面质点的切向速度为：
其中，ωn为振动频率，WO为驻波振幅，h表示所述定子结构参数，即电机定子表面与中性层的距离；λ表示所述定子所产生的行波波长。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：通过保护模块(5)对所述功率输出模块(4)进行限流、限压和热保护。
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