CN106787939B - 一种压电陶瓷超声电机的高精度驱动控制器 - Google Patents
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Abstract
一种压电陶瓷超声电机的高精度驱动控制器，包括微处理器、分频分相器、移向器、占空比调节器、驱动放大器1、驱动放大器2、阻抗匹配器1、阻抗匹配器2、频压转换器、伏值跟踪器1、伏值跟踪器2、格雷码解码器。微处理器通过内部定时器定时方法产生PWM信号，并将PWM信号输送到分频分相器；分频分相器将PWM信号进行互反和二分频，变为4路两两相反、两两相差90°的信号PWMA1、PWMA2和PWMB1、PWMB2；本发明在硬件电路上实现了运动位置闭环、运动速度闭环和驱动电压闭环控制，提高了超声电机的开环稳定性，将超声电机闭环定位精度提高到了±3.6″。
Description
技术领域
本发明提出的一种压电陶瓷超声电机的高精度驱动控制器，主要在电子工程领域中应用。
背景技术
驱动控制器是超声电机的重要组成部分，决定了超声电机是否能正常运转，超声电机具有扭矩大、响应速度快、结构简单等特点，是利用定转子间的摩擦驱动的一种新型电机，定转子间的摩擦规律很难确定，而且定子谐振频率会随着温升而改变，超声电机的速度特性会随驱动条件(如温度、负载转矩)而变化，具有明显不同于传统电磁电机的控制特性。因此，超声电机是一种强非线性的时变系统，很难得到精确的数学模型。其优良特性的发挥有赖于驱动控制系统的精度和性能。
目前超声电机驱动控制方法主要为对速度或者位置进行传统的PID控制方式，在性能要求较高的场合，PID控制方式并不能及时、准确地应对超声电机明显的非线性运行特征，不能完全根据超声电机的当前特性来实时改变控制参数，达不到高精度控制。目前市场上还没有定位精度达到±3.6″的高精度驱动控制器。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，公开一种压电陶瓷超声电机的高精度驱动控制器，用于解决现有技术中压电陶瓷超声电机驱动控制器控制精度低的问题。
本发明的技术解决方案是：一种压电陶瓷超声电机的高精度驱动控制器，包括：微处理器、分频分相器、移相器、占空比调节器、驱动放大器1、驱动放大器2、阻抗匹配器1、阻抗匹配器2、频压转换器、伏值跟踪器1、伏值跟踪器2和格雷码解码器；
微处理器，包括：PWM输出端口、数字端口和模拟端口；
微处理器，从PWM输出端口输出39.2KHz～43.5KHz高频脉冲信号，即PWM信号，并将该PWM信号传送给分频分相器；分频分相器将该PWM信号分解成电平互为相反的两路信号PWM11和PWM21，再将PWM11和PWM21这两路信号二分频变换为四路信号送入移相器，四路信号分别为：PWMA1、PWMA2和PWMB1、PWMB2。其中，PWMA2是PWMA1的反相信号，PWMB2是PWMB1的反相信号；
移相器，根据从微处理器输入的CW/CCW状态，完成PWMB1、PWMB2信号的超前或落后于PWMA1、PWMA2信号90°的相位移动后送入占空比调节器，当CW/CCW输入为高电平时，PWMB1、PWMB2信号落后于PWMA1、PWMA2信号90°相位，当CW/CCW输入为低电平时，PWMB1、PWMB2信号超前于PWMA1、PWMA2信号90°相位；
占空比调节器，在PWMA1或PWMA2或PWMB1或PWMB2为高电平信号时，将4个PWM信号与设定的11.4V电压进行电压比较，得到占空比为25％的4路PWM信号，将PWMA1、PWMA2信号送入驱动放大器1，PWMA1，并将PWMB1、PWMB2信号送入驱动放大器2；
驱动放大器1将PWMA1、PWMA2信号进行功率放大，即将驱动电平提升到28V后，，送入阻抗匹配器1；
驱动放大器2将PWMB1、PWMB2信号进行功率放大，将驱动电平提升到28V后，，送入阻抗匹配器2；
阻抗匹配器1将PWMA1与PWMA2两个方波信号整合为一个最高输出幅值Vpp为550V的正弦信号用于驱动超声电机A相
阻抗匹配器1与阻抗匹配器2分别对超声电机A相与B相的等效电阻和等效电容进行电感匹配；阻抗匹配器1将PWMA1与PWMA2两个方波信号整合为一个最高输出幅值Vpp为550V的正弦信号用于驱动超声电机A相，阻抗匹配器2将PWMB1与PWMB2两个方波信号整合为一个最高输出幅值Vpp为550V的余弦信号用于驱动超声电机B相；
频压转换器采集超声电机孤级上的频率信号并将其转换为0-5VDC信号，输入到微处理器模拟端口，完成运动速度闭环；
伏值跟踪器1与伏值跟踪器2分别将超声电机A相电压与B相电压的高压同频信号(高压是指130～180V，频率为39.2KHz～43.5kHZ)转换为低压同频信号(低压是指5-12V，频率为39.2KHz～43.5kHZ)，实现高压同频信号到0-5VDC电压的转换，然后将该0-5VDC电压值传送给微处理器的模拟端口，完成A相与B相得驱动电压闭环；
格雷码解码器，采集位于超声电机的光电码盘输出的格雷码，将格雷码转换成微处理器能识别的二进制码，再将该二进制码传送给微处理器数字端口，完成运动位置闭环。
所述的微处理器采用ARM LPC1788芯片为主处理芯片，微处理器通过模拟端口采集电机速度信号、电机位置信号、驱动电压信号，并对这些信号进行计算转换，通过PI方式，输出PWM信号用于超声电机的相位调节，输出的PWM信号占空比10％～50％可调，频率39.2KHz～43.5KHz可调；
所述的分频分相器，由于超声电机有两相需要供电：A相与B相，故需要两组信号，分频分相器通过CD4504芯片完成3.3V的PWM到12V的PWM的电平转换，再通过CD4069芯片完成PWM信号反相，生成PWM11和PWM21，两路信号完全相反。D型触发芯片CD4013通过二分频方法将PWM11和PWM21信号变换为PWMA1、PWMA2和PWMB1、PWMB2驱动信号。其中PWMA1与PWMA2互为反相信号，PWMB1与PWMB2互为反相信号。
所述的移相器，通过CD4070芯片使PWMA1、PWMA2两信号与PWMB1、PWMB2两信号形成90°相位差。在驱动超声电机时，超声电机A相与B相必须得到一组正弦信号和一组余弦信号，而最后构成正弦信号的PWMA1、PWMA2方波信号与构成余弦信号的PWMB1、PWMB2方波信号相位差必须为90°，从而控制电机的正反转。当超声电机顺时针运行时，PWMB1、PWMB2信号落后于PWMA1、PWMA2信号90°相位，当超声电机逆时针运行时，PWMB1、PWMB2信号超前于PWMA1、PWMA2信号90°相位；
所述的占空比调节器为RC电路结合电压比较器，信号为高电平时，电流通过R对C充电，信号为低电平时，C通过R放电。然后通过LM139单电源电压比较器芯片，设定参考电压值为11.4V，该参考电压与R上的充放电波形进行电压比较，从而实现驱动信号的占空比调节。
所述的驱动放大器1采用IR2110为主驱动芯片组成放大电路，该驱动放大电路最大输出电流可达2.5A。驱动放大电路将原本低功率、电压为11.4V的PWMA1与PWMA2信号放大为电压28V的功率驱动信号。
所述的驱动放大器2采用IR2110为主驱动芯片组成放大电路，该驱动放大电路最大输出电流可达2.5A。驱动放大电路将原本无功率电压为11.4V的PWMB1与PWMB2信号放大为电压28V的功率驱动信号。
所述的阻抗匹配器1，减少驱动功率损耗，使电机获得稳定的机械振动，在对定子振动影响较小的条件下，并联合适的电感，改善了电机的驱动性能，并组成超声电机A相的LRC逆变升压电路。
所述的阻抗匹配器2，减少驱动功率损耗，使电机获得高效的机械振动，在对定子振动影响较小的条件下，并联合适的电感，改善了电机的驱动性能，并组成超声电机B相的LRC逆变升压电路。
所述的频压转换器，是完成速度闭环控制的关键部分，超声电机孤极的电压频率，能够反映出超声电机的实际转速。对孤极电压信号进行采集和频率/电压转换处理后，作为超声电机速度闭环的数据。频压转换器的主芯片为LZ2917，该芯片输出电压与输入频率呈线性关系，保证了转换精度。
所述的伏值跟踪器1，是完成超声电机的驱动电压闭环控制的重要组成部分。由于超声电机的振动驱动特性，A相会产生550V电压，因此需要利用电阻分压方法，将电机A相电压的高压高频信号转换为低压高频信号，然后采用F158单电源双运算放大器组成单稳态触发电路，实现高驱动电压到0-5VDC电压的转换。
所述的伏值跟踪器2，是完成超声电机的驱动电压闭环控制的重要组成部分。由于超声电机其振动驱动特性，B相会产生550V电压，因此需要利用电阻分压方法，将电机B相电压的高压高频信号转换为低压高频信号，然后采用F158单电源双运算放大器组成单稳态触发电路，实现高驱动电压到0-5VDC电压的转换。
所述的格雷码转换器，将超声电机的21位绝对式光电编码器，即光电码盘输出的格雷码实时转换为21位二进制码，并将该二进制码反馈到微控制器的数字端口，该值是超声电机运动位置闭环控制的重要参数。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用PWM脉冲发生与调理电路、占空比调节电路、驱动放大电路、基于LM331的频率/电压转换电路、正余弦信号匹配电路、中频脉冲变压器组合方式，优化了超声电机驱动器。
(2)本发明通过控制电路与驱动电路结合设计，在硬件上提高了超声电机的性能，最后通过速度闭环控制、位置PID控制和温度自适应补偿实现了超声电机定位精度达到±3.6″。
(3)本发明达到军用六级成熟度，温度、体积、最低速度和定位精度均可达到军用和宇航要求。
(4)本发明电路简单，集成度高，所使用芯片均无特殊要求，利于实现。
附图说明
图1为驱动控制器组成框图；
图2为分频分相器原理图；
图3为移向器输出波形图；
图4为占空比调节器原理图；
图5为驱动放大器原理图；
图6为频压转换器原理图；
图7为伏值跟踪器原理。
具体实施方式
本发明的基本思路为：提出一种压电陶瓷超声电机的高精度驱动控制器，包括微处理器、分频分相器、移向器、占空比调节器、驱动放大器1、驱动放大器2、阻抗匹配器1、阻抗匹配器2、频压转换器、伏值跟踪器1、伏值跟踪器2、格雷码解码器。微处理器通过内部定时器定时方法产生PWM信号，并将PWM信号输送到分频分相器；分频分相器将PWM信号进行互反和二分频，变为4路两两相反、两两相差90°的信号PWMA1、PWMA2和PWMB1、PWMB2；本发明在硬件电路上实现了运动位置闭环、运动速度闭环和驱动电压闭环控制，提高了超声电机的开环稳定性，将超声电机闭环定位精度提高到了±3.6″。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种压电陶瓷超声电机的高精度驱动控制器，包括微处理器、分频分相器、移向器、占空比调节器、驱动放大器1、驱动放大器2、阻抗匹配器1、阻抗匹配器2、频压转换器、伏值跟踪器1、伏值跟踪器2、格雷码解码器。微处理器通过内部定时器定时方法产生PWM信号，并将PWM信号输送到分频分相器；分频分相器将PWM信号进行互反和二分频，变为4路两两相反、两两相差90°的信号PWMA1、PWMA2和PWMB1、PWMB2；移相器根据驱动控制器外部输入CW/CCW，完成PWMB1、PWMB2信号的超前或落后于PWMA1、PWMA2信号90°的相位移动；占空比调节器对四路PWM信号完成占空比调节，并分别将PWMA1、PWMA2输送到驱动放大器1，将PWMB1、PWMB2输送到驱动放大器2；驱动放大器1和驱动放大器2分别用来提高PWMA1、PWMA2和PWMB1、PWMB2的电流驱动能力，并将驱动电平提升到28V；阻抗匹配器1和阻抗匹配器2分别对超声电机A/B相的等效电阻和等效电容进行电感匹配，匹配为LRC升压逆变电路；频压转换器采集超声电机孤级上的频率信号，将其转换为0-5VDC信号，并输入到微控制器的模拟端口完成运动速度闭环；伏值跟踪器1和伏值跟踪器2采集超声电机A相与B相电压，转换为0-5VDC信号，并输入到微控制器的模拟端口，完成驱动电压闭环；格雷码解码器采集安装在超声电机上的光电码盘输出的格雷码，转换为二进制码，并输入到微控制器的数字端口，完成运动位置闭环。本发明在硬件电路上实现了运动位置闭环、运动速度闭环和驱动电压闭环控制，提高了超声电机的开环稳定性，将超声电机闭环定位精度提高到了±3.6″。
优选方案如下：本发明的压电陶瓷超声电机的高精度驱动控制器，包括：微处理器、分频分相器、移相器、占空比调节器、驱动放大器1、驱动放大器2、阻抗匹配器1、阻抗匹配器2、频压转换器、伏值跟踪器1、伏值跟踪器2和格雷码解码器；
微处理器，通过内部定时器定时方法从PWM输出端口输出39.2KHz～43.5KHz高频脉冲信号，即PWM信号，并将PWM信号传送给分频分相器；分频分相器将PWM信号分解成互为相反的两路信号PWM11和PWM21，再利用D型触发器芯片将2路信号二分频变换为4路信号：PWMA1、PWMA2和PWMB1、PWMB2。其中，PWMA2是PWMA1的反相信号，PWMB2是PWMB1的反相信号；移相器根据从微处理器输入的CW/CCW状态，通过异或门电路完成PWMB1、PWMB2信号的超前或落后与PWMA1、PWMA2信号90°的相位移动，当CW/CCW输入为高电平时，PWMB1、PWMB2信号落后于PWMA1、PWMA2信号90°相位，当CW/CCW输入为低电平时，PWMB1、PWMB2信号超前于PWMA1、PWMA2信号90°相位；占空比调节器利用高电平信号时，电流通过R对C充电，低电平信号时，C通过R放电的RC充/放电原理，将4个PWM信号与设定的11.4V电压进行电压比较，得到占空比为25％的4路PWM信号；驱动放大器1将PWMA1、PWMA2信号利用驱动芯片进行功率放大，提高电流驱动能力，将驱动电平提升到28V，通过中频变压器推挽电路和LRC匹配电路将PWMA1与PWMA2两个方波信号整合为一个Vpp为550V的正弦信号用于驱动超声电机A相；驱动放大器2将PWMB1、PWMB2信号利用驱动芯片进行功率放大，提高电流驱动能力，将驱动电平提升到28V，通过中频变压器推挽电路和LRC匹配电路将PWMB1与PWMB2两个方波信号整合为一个Vpp为550V的余弦信号用于驱动超声电机B相；阻抗匹配器1与阻抗匹配器2分别对超声电机A相与B相的等效电阻和等效电容进行电感匹配，匹配为LRC升压逆变电路；
频压转换器通过集成芯片LZ2917采集超声电机孤级上的频率信号并将其转换为0-5VDC信号，输入到微处理器模拟端口，完成运动速度闭环；伏值跟踪器1与伏值跟踪器2分别将超声电机A相电压与B相电压的高压高频信号转换为低压高频信号，然后采用F158单电源双运算放大器组成单稳态触发电路，实现频率脉冲到0-5VDC电压的转换，然后将该电压值传送给微处理器，完成A相与B相得驱动电压闭环；格雷码解码器采集位于超声电机的光电编码器输出的格雷码，将格雷码转换成微处理器能识别的二进制码，再将该二进制码传送给微处理器数字端口，完成运动位置闭环。
如图1所示，本发明由微处理器、分频分相器、移向器、占空比调节器、驱动放大器1、驱动放大器2、阻抗匹配器1、阻抗匹配器2、频压转换器、伏值跟踪器1、伏值跟踪器2和格雷码解码器组成。
微处理器采用ARM LPC1788为核心，基于ARM的控制芯片，输出的PWM信号用于超声电机的相位调节，输出信号占空比10％～50％可调，频率39.2KHz～43.5KHz可调；3路模拟量输入信号用于A相、B相、孤极电压信号采集；2路模拟量信号输入用于频率调节和占空比调节；23位I/O端口用于编码器的控制和角度信号接收；2路I/O端口用于电机的启停控制。微处理器通过内部定时器定时方法产生39.2KHz～43.5KHz高频脉冲信号(PWM信号)，并将PWM信号传送给分频分相器；
分频分相器包括：U1-CD4504电平转换器、U2-CD4069反向器、U3-D型双路触发器CD4013。从微处理器输出的PWM信号进入CD4504芯片的输入端口(3号管脚)，并从输出端口(2号管脚)输出，此时PWM电平由3.3V变为12V。此时将输出信号分成两路，一路信号直接进入CD4013芯片的3号管脚，此信号视为PWM11信号；另一路进入反向器CD4069(1号引脚)进行反向后输出(2号引脚)，再进入CD4013芯片的11号管脚，此信号视为PWM21信号。PWM11信号经过CD4013处理后，分别从1号管脚与2号管脚输出两路二分频的信号PWMA1、PWMA2，两信号相位相反。PWM21信号同样经过CD4013处理后，分别从13号管脚与12号管脚输出两路二分频的信号PWMB1、PWMB2，两信号相位相反。
分频分相器完成信号电压变换、互补信号产生、变频信号产生，原理图如图2所示。PWM信号为ARM LPC1788芯片输出的39.2KHz～43.5KHz的高频脉冲，其中CD4504完成3.3V的PWM到12V的PWM的电平转换，反相器CD4069完成PWM信号反相，生成PWM11和PWM21，两路信号完全相反，D型触发器CD4013完成2路PWM11和PWM21的变频，将2路信号变换为4路驱动信号：PWMA1、PWMA2、PWMB1、PWMB2，其中，PWMA2是PWMA1的反相信号，PWMB2是PWMB1的反相信号。
移相器通过U4-CD4070芯片使PWMA1、PWMA2两信号与PWMB1、PWMB2两信号形成90°相位差。在驱动超声电机时，超声电机A相与B相必须得到一组正弦信号和一组余弦信号，而最后构成正弦信号的PWMA1、PWMA2方波信号与构成余弦信号的PWMB1、PWMB2方波信号相位差必须为90°。当超声电机顺时针运行时，PWMB1、PWMB2信号落后于PWMA1、PWMA2信号90°相位，当超声电机逆时针运行时，PWMB1、PWMB2信号超前于PWMA1、PWMA2信号90°相位。最终得出的信号波形如图3所示。
占空比调节电路包括：PWMA1占空比调节电路、PWMA2占空比调节电路、PWMB1占空比调节电路、PWMB1占空比调节电路。四路调节电路组成完全相同。信号首先进入10K电阻(R3、R4、R5、R6)，然后进入电压比较器LM139的输入端+(5、7、9、11引脚)，在LM139的输入端+的前端与GND之间串联680PF电容(C1、C2、C3、C4)。在电压比较器LM139输入端-(4、6、8、10引脚)接入11.4V比较电压，该11.4V电压由20K精密电位器(RW-1、RW-2、RW-3、RW-4)分压所得，LM139电源输入端+(3引脚)接VDD(28VDC)，LM139电源输入端-(12引脚)接GND。LM139输出端接10K上拉电阻(R-3、R-4、R-5、R-6)，信号由LM139输出端(2、1、14、13引脚)输出，经10K上拉电阻上拉后，进入后级电路。
占空比调节电路原理图如图4所示，其原理为RC电路，信号为高电平时，电流通过R对C充电，为低电平时，C通过R放电。LM139为单电源电压比较器，设定参考电压值为11.4V，该参考电压与R上的充放电波形进行电压比较，从而实现驱动信号的占空比调节。占空比调节是最终电机调速的主要方式。
驱动放大器1包括：PWMA1驱动放大电路、PWMA2驱动放大电路。互为相反的两个信号PWMA1和PWMA2分别通过10欧姆限流电阻(R7、R8)进入驱动芯片U7-IR2110的Hin(2引脚)与Lin(3引脚)端口，并从Ho(7引脚)与Lo(5引脚)端口输出。在IR2110的vcc端口接入输入电压28V，将芯片的com端口与vs端口接入GND。在芯片的vcc端与com端接入1uf的电解电容(C5)，在vb端与vs端接入1uf的电解电容(C6)，在vcc端与vb端接入二极管IN4148(D-1)，组成IR2110的芯片保护电路。信号由IR2110输出端输出后，经过10Ω电阻(R11、R12)进入mos管ir67130(Q1、Q2)的栅极。且在10Ω电阻(R11、R12)两端并联二极管IN5806(D1、D2),通过10K电阻(R15、R16)接地，该部分电路主要是保护IR2110的输出端口并加速反向导通时间。
驱动放大器2包括：PWMB1驱动放大电路、PWMB2驱动放大电路。互为相反的两个信号PWMB1和PWMB2分别通过10欧姆限流电阻(R9、R10)进入驱动芯片U8-IR2110的Hin(2引脚)与Lin(3引脚)端口，并从Ho(7引脚)与Lo(5引脚)端口输出。在IR2110的vcc端口接入输入电压28V，将芯片的com端口与vs端口接入GND。在芯片的vcc端与com端接入1uf的电解电容(C7)，在vb端与vs端接入1uf的电解电容(C8)，在vcc端与vb端接入二极管IN4148(D-2)，组成IR2110的芯片保护电路。信号由IR2110输出端输出后，经过10Ω电阻(R13、R14)进入mos管ir67130(Q3、Q4)的栅极。且在10Ω电阻(R13、R14)两端并联二极管IN5806(D3、D4),通过10K电阻(R17、R18)接地，该部分电路主要是保护IR2110的输出端口并加速反向导通时间。
驱动放大器1与驱动放大器2均采用IR2110为主驱动芯片组成放大电路，该驱动放大电路最大输出电流可达2.5A。驱动放大器1与驱动放大器2分别将原本无功率、电压为11.4V的PWMA1、PWMA2与PWMB1、PWMB2信号放大为电压为28V的功率驱动信号。由于微处理器发出的PWM信号本身仅有1mA量级的微弱电流，根本无法驱动超声电机A、B相，故需将PWM信号放大到1A量级才能正常驱动超声电机。驱动放大器原理如图5所示。
所述的阻抗匹配器1与阻抗匹配器2，在恒压驱动的条件下，串联电容或电感将导致超声电机两端的真正电压较高，这也是导致电机振动特性变化的一个重要因素，并且该电压对负载的变化很敏感，导致振动不稳定。然而并联匹配则不然，由于加在电机两端的电压恒定，若不考虑无功消耗，电机在振动和反振动点的振动比较稳定。
在对定子振动影响较小的条件下，并联合适的电感，可以改善电机的驱动性能，由于超声电机是容性负载，匹配电路中的电感是必须采用的，但应与电容密切配合。还要考虑的因素包括：压电陶瓷的加持电容，电机质量效应的等效电感，弹性效应的等效电容，定子内机械损耗的等效电阻。
频压转化器包括：分压电路、触发器U9-CD4584、频压转换芯片U10-LZ2917、匹配电路。频压转化器是将超声电机上的孤极电压信号作为该部分电路的输入，经过238K电阻(R19)与12K(R20)电阻分压，进入施密特触发器CD4584的1号引脚，触发器输出信号Fin(2号引脚)进入频压转换芯片LZ2917的输入端(6号管脚)，该信号在进入LZ2917前经10K上拉电阻(R23)与VDD(28V)连接。芯片2号管脚经过20K电阻(R24)与GND连接。5号管脚经过2K电阻(R25)连接VDD(28V)，经过0,01uf电容(C14)与GND连接。7号管脚经过10K上拉电阻(R21)与VDD(28V)连接，经过68K下拉电阻(R22)与GND连接。1号管脚接入两个50K电阻(R26、R27)后与GND连接，并联1uf电解电容(C15)，输出信号在两电阻(R26、R27)之间取电压值，作为该部分电路最终输出电压值。输出电压值计算公式为V＝2.09RLRtCtFin/RS。
频压转换器原理如图6所示。频压转换器是完成速度闭环控制的关键部分，由于超声电机输出的正弦和余弦信号只是驱动信号，不能直接代表超声电机定子的运动情况，而在超声电机定子上存在一块孤极陶瓷片，此块孤极可以真实的反应出定子的运动状态，并产生一路与驱动频率一致，自身电压略低于驱动电压的电压信号。对孤极信号进行采集和频率/电压处理后，可以作为超声电机速度闭环的数据。频压转换器由集成芯片LZ2917和少量的电阻电容组成，LZ2917外接电路简单，输出电压与输入的频率呈线性关系，保证了转换精度。
超声电机所采用的速度控制方法为频相结合控制和步进控制两种方法。频相结合控制是根据超声电机孤极的振动频率反馈，通过改变两相电压激振频率来控制定子的共振状态实现速度的粗调，然后通过对超声电机的A、B相的相位差进行调节实现速度的精调，最终实现速度的闭环控制。步进控制是通过超声电机的谐振频率曲线和实际输出频率，通过调节通断占空比，进一步降低转速，最终实现超声电机的低速控制。
伏值跟踪器包括：电机A相伏值跟踪器、电机B相伏值跟踪器。两个伏值跟踪器在原理上完全相同，电机相电压经过238K电阻(R29、R33)与12K电阻(R30、R34)分压后，变成原先的1/21，该信号经过100K电阻(R31、R35)限流后进入放大器U11-F158A的输入端-(2、6引脚)，在输入端-与输出端(1、7引脚)并联47pf电容(C16、C18)与1M电阻(R32、R36)，并决定放大倍数。在输出端与GND之间连接1uf电容(C17、C19)进行信号滤波。为了提高精度和负饱和导通速率，在F158A的输入端-(2、6引脚)与输出端(1、7引脚)分别接入二极管IN4148(D5、D7)，二极管IN4148(D6、D8)进行输出信号极性保护。
伏值跟踪器是保证电机驱动电压闭环的重要部分，由于超声电机其振动特性，A相与B相会产生Vpp为550V的电压，因此先利用电阻分压方法，将电机A相电压与B相电压的高压高频信号转换为低压高频信号，然后采用F158单电源运放组成单稳态触发电路，实现A、B相产生的高伏值电压到0-5VDC低电平电压的转换。
如图7所示，F158和二极管1N4148组成电压跟随和峰值检测，当电路中二极管出现Vi从负电压变为正电压过程中，为了闭合二极管的负反馈电路，运放要结束负饱和状态，输出电压要从负饱和电压值一直到Vi+Vf，这个过程即会造成精度下降。为此，我们要在运放F158的输入和输出端正向添加一个二极管，该二极管类似钳位二极管，可以加速饱和与反相导通。
格雷码转换器将超声电机上的21位绝对式光电码盘输出的格雷码实时转换为21位二进制码，并将该值反馈给微控制器的数字端口。该码值是电机运动位置控制闭环的重要参数。运动位置闭环控制采用增量式PI控制方法，依据绝对式光电码盘反馈的角度信息，对超声电机进行位置控制。
最后对超声电机开展温度补偿方法设计，由于超声电机摩擦原理，摩擦面温度变化严重影响其谐振频率，进而影响速度和步进角的稳定，很难实现角秒级控制，为此设计一种温度自适应补偿方法和温度-频率-步进角曲线，通过调节A、B相位差和步进脉冲，实现速度和步进角补偿，采用增量式PI和双环伺服控制方法，实现速度和位置闭环。
Claims (8)
1.一种压电陶瓷超声电机的高精度驱动控制器，其特征在于包括：微处理器、分频分相器、移相器、占空比调节器、驱动放大器1、驱动放大器2、阻抗匹配器1、阻抗匹配器2、频压转换器、伏值跟踪器1、伏值跟踪器2和格雷码解码器；
微处理器，包括：PWM输出端口、数字端口和模拟端口；
微处理器，从PWM输出端口输出高频脉冲信号，即PWM信号，并将该PWM信号传送给分频分相器；分频分相器将该PWM信号分解成电平互为相反的两路信号PWM11和PWM21，再将PWM11和PWM21这两路信号二分频变换为四路信号送入移相器，四路信号分别为：PWMA1、PWMA2和PWMB1、PWMB2，其中，PWMA2是PWMA1的反相信号，PWMB2是PWMB1的反相信号；
移相器，根据从微处理器输入的CW/CCW状态，完成PWMB1、PWMB2信号的超前或落后于PWMA1、PWMA2信号90°的相位移动后送入占空比调节器，当CW/CCW输入为高电平时，PWMB1、PWMB2信号落后于PWMA1、PWMA2信号90°相位，当CW/CCW输入为低电平时，PWMB1、PWMB2信号超前于PWMA1、PWMA2信号90°相位；
占空比调节器，在PWMA1或PWMA2或PWMB1或PWMB2为高电平信号时，将四个PWM信号与设定的11.4V电压进行电压比较，得到占空比为25％的四路PWM信号，将PWMA1、PWMA2信号送入驱动放大器1，并将PWMB1、PWMB2信号送入驱动放大器2；
驱动放大器1将PWMA1、PWMA2信号进行功率放大，即将驱动电平提升到28V后送入阻抗匹配器1；
驱动放大器2将PWMB1、PWMB2信号进行功率放大，将驱动电平提升到28V后送入阻抗匹配器2；
阻抗匹配器1与阻抗匹配器2分别对超声电机A相与B相的等效电阻和等效电容进行电感匹配；阻抗匹配器1将PWMA1与PWMA2两个方波信号整合为一个最高输出幅值Vpp为550V的正弦信号用于驱动超声电机A相，阻抗匹配器2将PWMB1与PWMB2两个方波信号整合为一个最高输出幅值Vpp为550V的余弦信号用于驱动超声电机B相；
频压转换器采集超声电机孤级上的频率信号并将其转换为0-5VDC信号，输入到微处理器模拟端口，完成运动速度闭环；
伏值跟踪器1与伏值跟踪器2分别将超声电机A相电压与B相电压的高压同频信号转换为低压同频信号，实现高压同频信号到0-5VDC电压的转换，然后将该0-5VDC电压值传送给微处理器的模拟端口，完成A相与B相的驱动电压闭环；
格雷码解码器，采集位于超声电机的光电码盘输出的格雷码，将格雷码转换成微处理器能识别的二进制码，再将该二进制码传送给微处理器数字端口，完成运动位置闭环；
所述的阻抗匹配器1，减少驱动功率损耗，使电机获得稳定的机械振动，在对定子振动影响较小的条件下，并联合适的电感，改善了电机的驱动性能，并组成超声电机A相的LRC逆变升压电路；
所述的阻抗匹配器2，减少驱动功率损耗，使电机获得高效的机械振动，在对定子振动影响较小的条件下，并联合适的电感，改善了电机的驱动性能，并组成超声电机B相的LRC逆变升压电路。
2.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷超声电机的高精度驱动控制器，其特征在于：所述的微处理器采用ARM LPC1788芯片为主处理芯片，微处理器通过模拟端口采集电机速度信号、电机位置信号、驱动电压信号，并对这些信号进行计算转换，通过PI方式，输出PWM信号用于超声电机的相位调节，输出的PWM信号占空比10％～50％可调，频率39.2KHz～43.5KHz可调。
3.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷超声电机的高精度驱动控制器，其特征在于：所述的分频分相器，由于超声电机有两相需要供电：A相与B相，故需要两组信号，分频分相器通过CD4504芯片完成3.3V的PWM到12V的PWM的电平转换，再通过CD4069芯片完成PWM信号反相，生成PWM11和PWM21，两路信号完全相反；D型触发芯片CD4013通过二分频方法将PWM11和PWM21信号变换为PWMA1、PWMA2和PWMB1、PWMB2驱动信号；其中PWMA1与PWMA2互为反相信号，PWMB1与PWMB2互为反相信号。
4.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷超声电机的高精度驱动控制器，其特征在于：所述的移相器，通过CD4070芯片使PWMA1、PWMA2两信号与PWMB1、PWMB2两信号形成90°相位差；在驱动超声电机时，超声电机A相与B相必须得到一组正弦信号和一组余弦信号，而最后构成正弦信号的PWMA1、PWMA2方波信号与构成余弦信号的PWMB1、PWMB2方波信号相位差必须为90°，从而控制电机的正反转；当超声电机顺时针运行时，PWMB1、PWMB2信号落后于PWMA1、PWMA2信号90°相位，当超声电机逆时针运行时，PWMB1、PWMB2信号超前于PWMA1、PWMA2信号90°相位。
5.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷超声电机的高精度驱动控制器，其特征在于：所述的占空比调节器为RC电路结合电压比较器，信号为高电平时，电流通过R对C充电，信号为低电平时，C通过R放电；然后通过LM139单电源电压比较器芯片，设定参考电压值为11.4V，该参考电压与R上的充放电波形进行电压比较，从而实现驱动信号的占空比调节。
6.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷超声电机的高精度驱动控制器，其特征在于：所述的驱动放大器1采用IR2110为主驱动芯片组成放大电路，该放大电路最大输出电流可达2.5A；放大电路将原本低功率、电压为11.4V的PWMA1与PWMA2信号放大为电压28V的功率驱动信号。
7.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷超声电机的高精度驱动控制器，其特征在于：所述的驱动放大器2采用IR2110为主驱动芯片组成放大电路，该放大电路最大输出电流可达2.5A；放大电路将原本无功率电压为11.4V的PWMB1与PWMB2信号放大为电压28V的功率驱动信号。
8.根据权利要求1所述的一种压电陶瓷超声电机的高精度驱动控制器，其特征在于：所述的频压转换器，是完成速度闭环控制的关键部分，超声电机孤极的电压频率，能够反映出超声电机的实际转速；对孤极电压信号进行采集和频率/电压转换处理后，作为超声电机速度闭环的数据；频压转换器的主芯片为LZ2917，该芯片输出电压与输入频率呈线性关系，保证了转换精度。
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