CN111555658B - 超声波电机及其驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波电机及其驱动电路，属于驱动电路技术领域。所述驱动电路包括：电压源、驱动电感，其中：所述驱动电感的一端与所述电压源电连接，所述驱动电感的另一端与所述超声波电机相连接，所述超声波电机属于容性负载与所述驱动电感形成LCR振荡电路谐振升压。本发明通过利用谐振升压的原理使用驱动电感代替变压器和放大器，解决了现有技术中超声波电机的驱动电路体积过大的问题；达到了减小超声波电机的驱动电路的体积的效果。

Description

超声波电机及其驱动电路

技术领域

本发明涉及驱动电路技术领域，特别涉及一种超声波电机及其驱动电路。

背景技术

超声波电机因其结构简单紧凑、易于微型化、响应制动快、断电自锁、控制特性好、定位精度高、无磁且不受磁场影响、低速大扭矩、噪声小等一系列优点，已在航空、航天、医疗、机器人、精密仪器仪表等高新技术领域显现处广阔的应用前景和使用价值。

目前在一些应用领域中，由于驱动超声波电机中的压电陶瓷需要由大振幅的高频正弦电压来驱动，传统的驱动电路一般使用变压器或放大器以提供高频正弦电压进行驱动，但由于变压器自身体积难以做小，放大器需要高压电源配套等原因，传统的驱动电路难以满足体积小、重量轻的要求，电机的驱动电路微小型化成为了超声波电机发展的关键技术之一。

发明内容

为了解决现有技术中超声波电机的驱动电路体积过大的问题，本发明实施例提供了一种超声波电机及其驱动电路。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种超声波电机的驱动电路，包括：电压源、驱动电感，其中：所述驱动电感的一端与所述电压源电连接，所述驱动电感的另一端与所述超声波电机相连接，所述超声波电机属于容性负载与所述驱动电感形成LCR振荡电路谐振升压。

可选的，所述驱动电路还包括控制器、逆变电路，所述电压源为直流电压源，所述直流电压源连接至逆变电路的输入端，逆变电路的输出端经所述驱动电感连接至超声波电机定子电极上，所述控制器的脉冲宽度调制接口与所述逆变电路的控制端电连接。

可选的，所述逆变电路包括第一相半桥逆变电路、第二相半桥逆变电路和逆变驱动电路，其中：所述直流电压源分别连接至所述第一相半桥逆变电路、所述第二相半桥逆变电路的输入端输出直流电压；所述第一相半桥逆变电路与第一驱动电感的一端电连接输出第一激励信号，所述第一驱动电感的另一端连接至所述超声波电机的第一相压电陶瓷片上输出驱动信号至所述超声波电机的第一相压电陶瓷片；所述第二相半桥逆变电路与第二驱动电感的一端电连接输出第二激励信号，所述第二驱动电感的另一端连接至所述超声波电机的第二相压电陶瓷片上输出驱动信号至所述超声波电机的第二相压电陶瓷片；所述控制器通过逆变驱动电路与所述第一相半桥逆变电路、所述第二相半桥逆变电路分别电连接，并向所述第一相半桥逆变电路、所述第二相半桥逆变电路分别提供脉冲宽度调制信号。

可选的，所述逆变驱动电路包括第一光耦和第二光耦，其中：所述控制器的第一控制端与所述第一光耦的控制端阴极输出第一脉冲宽度调制信号，所述第一光耦的输出端与所述第一相半桥逆变电路电连接；所述控制器的第二控制端与所述第二光耦的控制端阴极输出第二脉冲宽度调制信号，所述第二光耦的输出端与所述第一相半桥逆变电路电连接；所述第一脉冲宽度调制信号与所述第二脉冲宽度调制信号互为同频反相信号且占空比相同。

可选的，所述逆变驱动电路包括第三光耦和第四光耦，其中：所述控制器的第三控制端与所述第三光耦的控制端阴极输出第三脉冲宽度调制信号，所述第三光耦的输出端与所述第二相半桥逆变电路电连接；所述控制器的第四控制端与所述第四光耦的控制端阴极输出第四脉冲宽度调制信号，所述第四光耦的输出端与所述第二相半桥逆变电路电连接；所述第三脉冲宽度调制信号与所述第四脉冲宽度调制信号互为同频反相信号且占空比相同。

可选的，所述第三脉冲宽度调制信号与所述第一脉冲宽度调制信号的相位角相差90°。

可选的，所述第一相半桥逆变电路包括第一NPN型三极管和第二NPN型三极管、第一二极管和第二二极管，其中：第一NPN型三极管的集电极与所述直流电压输出端、所述第一二极管的阴极分别电连接，所述第一NPN型三极管的发射极与第一二极管的阳极、第一光耦的输出端的发射极、所述第一驱动电感电连接，所述第一NPN型三极管的基极与所述第一光耦的输出端的基电极电连接；第二NPN型三极管的集电极与第一NPN型三极管的发射极、所述第二二极管的阴极分别电连接，所述第二NPN型三极管的发射极与第二二极管的阳极、第二光耦的输出端的发射极电连接且接地，所述第二NPN型三极管的基极与所述第二光耦的输出端的基电极电连接。

可选的，所述第一NPN型的基极通过第一电阻与所述直流电压输出端相连接，所述第二NPN型的基极通过第二电阻与所述直流电压输出端相连接；和/或，所述直流电压输出端与第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端接地；所述第一电容的所述一端通过第二电容与所述第二NPN型的发射极相连接且接地。

可选的，所述第二相半桥逆变电路包括第三NPN型三极管和第四NPN型三极管、第三二极管和第四二极管，其中：第三NPN型三极管的集电极与所述直流电压输出端、所述第三二极管的阴极分别电连接，所述第三NPN型三极管的发射极与第三二极管的阳极、第三光耦的输出端的发射极、所述第二驱动电感电连接，所述第三NPN型三极管的基极与所述第三光耦的输出端的基电极电连接；第四NPN型三极管的集电极与第三NPN型三极管的发射极、所述第四二极管的阴极分别电连接，所述第四NPN型三极管的发射极与第四二极管的阳极、第四光耦的输出端的发射极电连接且接地，所述第四NPN型三极管的基极与所述第四光耦的输出端的基电极电连接。

可选的，所述第三NPN型的基极通过第三电阻与所述直流电压输出端相连接，所述第四NPN型的基极通过第四电阻与所述直流电压输出端相连接；和/或，所述直流电压输出端与第三电容的一端连接，所述第三电容的另一端接地；所述第三电容的所述一端通过第四电容与所述第四NPN型的发射极相连接且接地。

第二方面，提供了一种一种超声波电机，所述超声波电机包括第一方面以及第一方面任一可选实施方式所涉及的驱动电路。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过提供一种超声波电机及其驱动电路，其包括：电压源、驱动电感，其中：所述驱动电感的一端与所述电压源电连接，所述驱动电感的另一端与所述超声波电机相连接，所述超声波电机属于容性负载与所述驱动电感形成LCR振荡电路谐振升压。本发明通过利用谐振升压的原理使用驱动电感代替变压器和放大器，解决了现有技术中超声波电机的驱动电路体积过大的问题；达到了减小超声波电机的驱动电路的体积的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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他的附图。

图1是本发明一个实施例提供的超声波电机的驱动电路的示意图；

图2是本发明一个实施例提供的第一相半桥逆变电路20与第一驱动电感的连接的电路图；

图3是本发明一个实施例提供的第二相半桥逆变电路30与第二驱动电感的连接的电路图；

图4是本发明一个实施例提供的逆变驱动电路50的电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为解决现有技术中电机的驱动电路体积偏大的问题，本申请提供了一种超声波电机的驱动电路，其包括电压源、驱动电感，其中：所述驱动电感的一端与所述电压源电连接，所述驱动电感的另一端与所述超声波电机相连接，所述超声波电机属于容性负载与所述驱动电感形成LCR振荡电路谐振升压。本申请中，利用谐振升压的原理使用驱动电感代替变压器和放大器，在实现超声波电机的驱动的同时，减小了超声波电机的驱动电路的体积，进一步的降低了超声波电机的体积。

在一个示例中，驱动电路中采用的电压源为交流电压源，交流电压源的每相输出分别通过一个驱动电感与超声波电机的一相相连接。进一步的，可以为可调频的交流电压源，通过调制频率可实现超声波电机的转速调整。

在另一个示例中，驱动电路还包括控制器、逆变电路，所述电压源为直流电压源，所述直流电压源连接至逆变电路的输入端，逆变电路的输出端经所述驱动电感连接至超声波电机定子电极上，所述控制器的脉冲宽度调制接口与所述逆变电路的控制端电连接。其中，控制器用于完成脉冲宽度调制信号的调频调相的工作。在具体实施方式中对该超声波电机的驱动电路进行说明时，本申请以超声波电机两相驱动进行举例说明，也即以驱动电路提供两相驱动信号(例如，柱状行波型超声波电机)进行说明。在实际实现时，本申请提供的驱动电路可以实现多相驱动。

请参考图1，其示出了本发明一个实施例提供的超声波电机的驱动电路的示意图。如图1所示，超声波电机的驱动电路包括：直流电压源10、逆变电路、控制器60，逆变电路包括第一相半桥逆变电路20、第二相半桥逆变电路30、逆变驱动电路50，其中：

直流电压源10分别连接至第一相半桥逆变电路20、第二相半桥逆变电路30的输入端输出直流电压Ud；

第一相半桥逆变电路20与第一驱动电感L1的一端电连接输出第一激励信号，第一驱动电感L1的另一端连接至超声波电机的第一相压电陶瓷片40上输出驱动信号至超声波电机的第一相压电陶瓷片40；

第二相半桥逆变电路30与第二驱动电感L2的一端电连接输出第二激励信号，第二驱动电感L2的另一端连接至超声波电机的第二相压电陶瓷片上输出驱动信号至超声波电机的第二相压电陶瓷片；

控制器60通过逆变驱动电路50与第一相半桥逆变电路20、第二相半桥逆变电路30分别电连接，并向第一相半桥逆变电路20、第二相半桥逆变电路30分别提供脉冲宽度调制信号。其中，控制器60为具备产生脉冲宽度调制信号的元器件，可以为ARM、DSP等等中任一种，本实施例对此不做具体限定。

在一个示例中，逆变驱动电路50可直接采用逆变电路驱动专用芯片，控制器60通过逆变电路驱动专用芯片与第一相半桥逆变电路20、第二相半桥逆变电路30分别电连接。

在另一个示例中，请参见图4以及图2，逆变驱动电路50包括第一光耦U1和第二光耦U2，其中：控制器60的第一控制端(图中未示出)与第一光耦U1的控制端阴极输出第一脉冲宽度调制信号，第一光耦U1的控制端阳极通过电阻与系统供电电压相连接，第一光耦U1的输出端与第一相半桥逆变电路20电连接。具体的，在一个示例中，第一相半桥逆变电路20包括第一NPN型三极管VT1和第二NPN型三极管VT2、第一二极管D1和第二二极管D2，其中：第一NPN型三极管VT1的集电极与直流电压Ud输出端、第一二极管D1的阴极分别电连接，第一NPN型三极管VT1的发射极与第一二极管D1的阳极、第一光耦U1的输出端的发射极、第一驱动电感L1电连接，第一NPN型三极管VT1的基极与第一光耦U1的输出端的基电极电连接。

可选的，请参见图4以及图2，控制器60的第二控制端与第二光耦U2的控制端阴极输出第二脉冲宽度调制信号，第二光耦U2的控制端阳极通过电阻与系统供电电压相连接，第二光耦U2的输出端与第一相半桥逆变电路20电连接。。具体的，在一个示例中，第二NPN型三极管VT2的集电极与第一NPN型三极管VT1的发射极、第二二极管D2的阴极分别电连接，第二NPN型三极管VT2的发射极与第二二极管D2的阳极、第二光耦U2的输出端的发射极电连接且接地，第二NPN型三极管VT2的基极与第二光耦U2的输出端的基电极电连接。其中，第一脉冲宽度调制信号与第二脉冲宽度调制信号互为同频反相信号且占空比相同，且占空比略小于50％。

可选的，逆变驱动电路50包括第三光耦U3和第四光耦U4，其中：控制器60的第三控制端与第三光耦U3的控制端阴极输出第三脉冲宽度调制信号，第三光耦U3的输出端与第二相半桥逆变电路30电连接；控制器60的第四控制端与第四光耦U4的控制端阴极输出第四脉冲宽度调制信号，第四光耦U4的输出端与第二相半桥逆变电路30电连接；第三脉冲宽度调制信号与第四脉冲宽度调制信号互为同频反相信号且占空比相同，且占空比略小于50％。其中，第三脉冲宽度调制信号与第一脉冲宽度调制信号的相位角相差90°。

可选的，第一NPN型的基极通过第一电阻R3与直流电压Ud输出端相连接，第二NPN型的基极通过第二电阻R4与直流电压Ud输出端相连接；和/或，直流电压Ud输出端与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端接地；第一电容C1的一端通过第二电容C2与第二NPN型的发射极相连接且接地。

可选的，请参考图3，第二相半桥逆变电路30包括第三NPN型三极管和第四NPN型三极管、第三二极管D3和第四二极管D3，其中：

第三NPN型三极管VT3的集电极与直流电压Ud输出端、第三二极管D3的阴极分别电连接，第三NPN型三极管VT3的发射极与第三二极管D3的阳极、第三光耦U3的输出端的发射极、第二驱动电感L2电连接，第三NPN型三极管VT3的基极与第三光耦U3的输出端的基电极电连接；在一个示例中，第三光耦U3的控制端阳极通过电阻与系统供电电压相连接。

第四NPN型三极管VT4的集电极与第三NPN型三极管VT3的发射极、第四二极管D3的阴极分别电连接，第四NPN型三极管VT4的发射极与第四二极管D3的阳极、第四光耦U4的输出端的发射极电连接且接地，第四NPN型三极管VT4的基极与第四光耦U4的输出端的基电极电连接；在一个示例中，第四光耦U4的控制端阳极通过电阻与系统供电电压相连接。

可选的，第三NPN型的基极通过第三电阻R7与直流电压Ud输出端相连接，第四NPN型的基极通过第四电阻R8与直流电压Ud输出端相连接；和/或，直流电压Ud输出端与第三电容C3的一端连接，第三电容C3的另一端接地；第三电容C3的一端通过第四电容C4与第四NPN型的发射极相连接且接地。

超声波电机有调频、调相、调压三种调速方式。第一驱动电感向超声波电机输出的驱动信号为正弦信号，第二驱动电感向超声波电机输出的驱动信号也为正弦信号，第一驱动电感输出的正弦信号与第一脉冲调制信号、第二脉冲调制信号的频率相同，第二驱动电感输出的正弦信号与第三脉冲调制信号、第四脉冲调制信号的频率相同实现调频控制。通过控制第一脉冲调制信号(也即，第二脉冲调制信号)与第三脉冲调制信号(也即，第四脉冲调制信号)之间的相位差，可以控制第一驱动电感输出的驱动电压与第二驱动电感输出的驱动电压的相位差，实现调相控制。由于超声波电机属于容性负载，因此电机与驱动电感形成LCR振荡电路(逆变电路和控制器主要用于激励由驱动电感和超声波电机定子构成的LCR振荡电路)，通过选取第一驱动电感L1、第二驱动电感L2可以控制第一驱动电感L1输出的驱动电压、第二驱动电感L2输出的驱动电压在工作频率的幅值，使之满足驱动要求。

另外，本申请以调频和调相由控制器里完成，驱动电路只有逆变和升压两个环节，优化了超声波电机驱动电路的调制步骤进行举例说明；避免了传统驱动电路中，将逆变、调频、移相、升压四个环节各自分开，调制复杂。在实际实现时，可将升压环节利用驱动电感实现，其他诸如逆变、调频、移相等等环节采用现有电路，本申请对此不再一一赘述。

本申请以超声波电机两相驱动进行举例说明，也即以驱动电路提供两相驱动信号进行说明，在实际实现时，驱动电路也可提供多相驱动信号。举例来讲，逆变电路包括第三相半桥逆变电路，其中：直流电压源与第三相半桥逆变电路的输入端相连接输出直流电压；第三相半桥逆变电路与第三驱动电感的一端电连接输出第三激励信号，第三驱动电感的另一端连接至超声波电机的第三相压电陶瓷片上输出驱动信号至超声波电机的第三相压电陶瓷片；控制器通过逆变驱动电路与第三相半桥逆变电路电连接，并向第三相半桥逆变电路提供脉冲宽度调制信号。其中，第三半桥逆变电路的电路连接关系可参照本申请其他半桥逆变电路，与逆变电路内其他元器件的连接关系也可参照申请其他半桥逆变电路，本申请对此不再一一赘述。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超声波电机的驱动电路，其特征在于，包括：电压源、驱动电感、控制器和逆变电路，所述电压源为直流电压源，所述直流电压源连接至逆变电路的输入端，逆变电路的输出端经所述驱动电感连接至超声波电机定子电极上，所述控制器的脉冲宽度调制接口与所述逆变电路的控制端电连接；其中：所述驱动电感的一端与所述电压源电连接，所述驱动电感的另一端与所述超声波电机相连接，所述超声波电机属于容性负载与所述驱动电感形成LCR振荡电路谐振升压；

所述逆变电路包括第一相半桥逆变电路、第二相半桥逆变电路和逆变驱动电路，其中：

所述直流电压源分别连接至所述第一相半桥逆变电路、所述第二相半桥逆变电路的输入端输出直流电压；

所述第一相半桥逆变电路与第一驱动电感的一端电连接输出第一激励信号，所述第一驱动电感的另一端连接至所述超声波电机的第一相压电陶瓷片上输出驱动信号至所述超声波电机的第一相压电陶瓷片；

所述第二相半桥逆变电路与第二驱动电感的一端电连接输出第二激励信号，所述第二驱动电感的另一端连接至所述超声波电机的第二相压电陶瓷片上输出驱动信号至所述超声波电机的第二相压电陶瓷片；

所述控制器通过逆变驱动电路与所述第一相半桥逆变电路、所述第二相半桥逆变电路分别电连接，并向所述第一相半桥逆变电路、所述第二相半桥逆变电路分别提供脉冲宽度调制信号；

所述逆变驱动电路包括第一光耦和第二光耦，其中：

所述控制器的第一控制端与所述第一光耦的控制端阴极输出第一脉冲宽度调制信号，所述第一光耦的输出端与所述第一相半桥逆变电路电连接；

所述控制器的第二控制端与所述第二光耦的控制端阴极输出第二脉冲宽度调制信号，所述第二光耦的输出端与所述第一相半桥逆变电路电连接；

所述第一脉冲宽度调制信号与所述第二脉冲宽度调制信号互为同频反相信号且占空比相同。

2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述逆变驱动电路包括第三光耦和第四光耦，其中：

所述控制器的第三控制端与所述第三光耦的控制端阴极输出第三脉冲宽度调制信号，所述第三光耦的输出端与所述第二相半桥逆变电路电连接；

所述控制器的第四控制端与所述第四光耦的控制端阴极输出第四脉冲宽度调制信号，所述第四光耦的输出端与所述第二相半桥逆变电路电连接；

所述第三脉冲宽度调制信号与所述第四脉冲宽度调制信号互为同频反相信号且占空比相同。

3.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述第三脉冲宽度调制信号与所述第一脉冲宽度调制信号的相位角相差90°。

4.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述第一相半桥逆变电路包括第一NPN型三极管和第二NPN型三极管、第一二极管和第二二极管，其中：

第一NPN型三极管的集电极与直流电压输出端、所述第一二极管的阴极分别电连接，所述第一NPN型三极管的发射极与第一二极管的阳极、第一光耦的输出端的发射极、所述第一驱动电感电连接，所述第一NPN型三极管的基极与所述第一光耦的输出端的基电极电连接；

第二NPN型三极管的集电极与第一NPN型三极管的发射极、所述第二二极管的阴极分别电连接，所述第二NPN型三极管的发射极与第二二极管的阳极、第二光耦的输出端的发射极电连接且接地，所述第二NPN型三极管的基极与所述第二光耦的输出端的基电极电连接。

5.根据权利要求4所述的驱动电路，其特征在于，

所述第一NPN型的基极通过第一电阻与所述直流电压输出端相连接，所述第二NPN型的基极通过第二电阻与所述直流电压输出端相连接；和/或，

所述直流电压输出端与第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端接地；所述第一电容的所述一端通过第二电容与所述第二NPN型的发射极相连接且接地。

6.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述第二相半桥逆变电路包括第三NPN型三极管和第四NPN型三极管、第三二极管和第四二极管，其中：

第三NPN型三极管的集电极与直流电压输出端、所述第三二极管的阴极分别电连接，所述第三NPN型三极管的发射极与第三二极管的阳极、第三光耦的输出端的发射极、所述第二驱动电感电连接，所述第三NPN型三极管的基极与所述第三光耦的输出端的基电极电连接；

第四NPN型三极管的集电极与第三NPN型三极管的发射极、所述第四二极管的阴极分别电连接，所述第四NPN型三极管的发射极与第四二极管的阳极、第四光耦的输出端的发射极电连接且接地，所述第四NPN型三极管的基极与所述第四光耦的输出端的基电极电连接。

7.根据权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，

所述第三NPN型的基极通过第三电阻与所述直流电压输出端相连接，所述第四NPN型的基极通过第四电阻与所述直流电压输出端相连接；和/或，

所述直流电压输出端与第三电容的一端连接，所述第三电容的另一端接地；所述第三电容的所述一端通过第四电容与所述第四NPN型的发射极相连接且接地。

8.一种超声波电机，其特征在于，所述超声波电机包括如权利要求1至7任一所述的驱动电路。

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