CN112104260A - 一种v型超声直线电机驱动电源及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种V型超声直线电机驱动电源，其中市电经半桥升压电路升压后再经整流电路整流，得到一个与市电隔离的高压直流电，滤波及降压电路对高压直流电滤波，其中包括两个串联的电容，串联点形成一个分压，该分压大小可调，得到可调直流稳压源，用做微位移运动过程中压电陶瓷静态变形驱动电压；将滤波后的高压直流电和可调直流稳压源接入半桥输出电路；控制器通过驱动电路对半桥升压电路、滤波及降压电路以及半桥输出电路进行调节，为超声直线电机提供稳定的直流偏置可调的交流脉冲电压或可调的直流电压。本发明可实现精密定位领域中快速步进运动与微位移运动这两种运动状态，简化了电机控制系统，提高了稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及超声直线电机驱动电源研究领域，具体是一种V型超声直线电机驱动电源及其驱动方法，特别适用于V型超声直线电机在大行程精密定位的驱动情况下。
背景技术
V型超声直线电机是一种将压电陶瓷在驱动电压的作用下产生的高频机械振动转换为电机转子的直线运动的新型装置，主要适用于机械加工、精密控制等领域。
V型超声直线电机作为一种机械振动-直线运动转换装置，其结构与常规电机有极大的不同，对驱动电源也存在特殊的要求。因此一个良好的驱动电源对超声直线电机的性能至关重要。目前有关超声直线电机驱动电源设计很多，但是没有实现步进运动与微位移运动的驱动的有机结合，也没有实现超声直线电机预紧力微调，没有能够将超声直线电机的潜能充分发挥出来。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种V型超声直线电机驱动电源，该电源解决了V型超声直线电机在精密定位领域中快速步进运动与步进间隙间的微小位移补偿运动所需的电源驱动问题，使两种运动状态可由单一电源驱动，简化了电机控制系统，提高了稳定性。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述V型超声直线电机驱动电源的驱动方法，该方法由控制器控制输出电压以及输出频率，具有电压以及脉冲个数可调、输出频率范围宽等特点，提高了微位移运动时的控制精度及响应速度，可实现微位移模式和快速步进运动模式两种模式的驱动。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种V型超声直线电机驱动电源，包括半桥升压电路、整流电路、滤波及降压电路、半桥输出电路、匹配电路、驱动电路、控制器以及反馈电路，市电经半桥升压电路升压后再经整流电路整流，得到一个与市电隔离的高压直流电，滤波及降压电路对所述高压直流电滤波，其中包括两个串联的电容，串联点形成一个分压，该分压大小可调，得到可调直流稳压源，用做微位移运动过程中压电陶瓷静态变形驱动电压；将滤波后的高压直流电和可调直流稳压源接入半桥输出电路；控制器通过读取反馈电路模拟信号获取滤波及降压电路的输出信息，通过驱动电路对半桥升压电路、滤波及降压电路以及半桥输出电路进行调节，为超声直线电机提供稳定的直流偏置可调的交流脉冲电压或可调的直流电压。
优选的，所述半桥升压电路采用半桥拓扑，使用升压变压器在功率管开关电路的作用下对输入的交流市电进行隔离以及升压，对应的功率管采用变压器隔离驱动。
优选的，所述整流电路为全桥整流电路，采用二极管为高压快恢复二极管。
优选的，所述滤波及降压电路中采用三个电容为整流电路输出的电压滤波，其中两个电容串联连接，串联点形成一个分压，在功率管的控制下该分压大小可调，用做微位移运动过程中压电陶瓷静态变形驱动电压，提高了响应速度，降低了功耗。另一个电容除滤波功能外，还用于抑制分压调节过程中整流电路输出电压可能出现的电压抬升幅度。
优选的，所述半桥输出电路具有两路，将整流电路经过滤波后的高压进行逆变，输出带直流偏置的交流方波脉冲。
优选的，所述匹配电路具有两路，均为LC低通滤波器，将半桥输出电路输出的方波脉冲滤波后输入到超声直流电机振子的两组压电陶瓷部件。
优选的，所述驱动电路用于对控制器输出的控制信号进行功率放大，驱动半桥升压电路、滤波及降压电路、半桥输出电路中对应的功率管。
优选的，所述控制器主控采用单片机，具备按键及串口通信接口以用于控制参数设置，运行时通过反馈电路在闭环控制下保证输出电压的稳定。
一种基于上述V型超声直线电机驱动电源的驱动方法，包括步骤：
将输入的市电隔离升压到V型超声直线电机所需的直流高压；
通过对半桥升压电路、滤波及降压电路、半桥输出电路的控制，使得V型超声直线电机在位移补偿运动中调节压电陶瓷电压实现微位移调节，在步进运动中调节驱动交流脉冲的直流分量实现超声直线预紧力微调。
具体的，驱动方法包括步骤：
若当前要执行快速步进驱动模式，预先设定输出脉冲幅值、脉冲偏置值、频率、相位以及脉冲个数信息，调节电源输出直流电压的幅值到设定值并等待其稳定，设置好频率、相位关系后开启半桥输出电路逆变输出，并对输出的脉冲数进行计数，若输出脉冲达到设定值或收到停止指令，立即关闭脉冲输出并发送停止信号；
若当前要执行微位移驱动模式，则调节滤波及降压电路的输出电压，该电压经半桥输出电路和匹配电路后输入到超声直流电机振子的两组压电陶瓷部件，用于控制压电陶瓷静态变形。
优选的，V型超声直线电机外部设有位置检测装置，位置检测装置将驱动位置信息反馈给控制器，控制器根据反馈信息通过驱动电路对半桥升压电路、滤波及降压电路以及半桥输出电路进行调节，实现闭环的控制。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明电源采用三级变换电路通过控制器的程序控制可实现驱动电源输出的脉冲幅值、直流偏置值、频率、相位调节，使其符合要求。既可以提高微位移运动时的控制精度及响应速度，也能够实现超声直线电机预紧力微调，进行快速步进运动。
2、本发明电源采用直流偏置脉冲激励方式实现了超声直线电机预紧力微调，提高输出性能，采用大电容分压提高微位移运动时的控制精度及响应速度。由于采用了可编程的单片机作为控制器，电源的输出电压，频率精度高，存在通信接口控制便捷。
附图说明
图1为本发明具体系统结构框架图。
图2为本发明中半桥升压及整流电路原理图。
图3为本发明中滤波及降压电路原理图。
图4为本发明中半桥输出及匹配电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
参见附图1至图4，本发明实施例提供一种V型超声直线电机驱动电源，该电源既可以实现V型超声直线电机在精密定位领域中快速步进运动，也可以实现步进间隙间的微小位移补偿运动，使两种运动状态由单一电源驱动。从整体上来说，本实施例电源系统采用了AC-DC、DC-DC、DC-AC共三级变换电路。第一级的AC-DC电路为半桥升压电路与整流电路的组合，将输入的市电隔离升压到V型超声直线电机所需的直流高压。第二级的DC-DC电路用于V型超声直线电机在位移补偿运动中快速调节压电陶瓷电压达到微位移调节效果以及在步进运动中调节驱动交流脉冲的直流分量实现超声直线预紧力微调功能。最后的DC-AC电路采用半桥结构用于脉冲输出。
具体的，按照各个电路模块实现的功能，本实施例V型超声直线电机驱动电源包括半桥升压电路1、整流电路2、滤波及降压电路3、半桥输出电路4、匹配电路5、驱动电路6、控制器7以及反馈电路8。
本实施例中，220V交流市电与半桥升压电路1相连，通过整流电路2后得到一个与市电隔离的高压直流电源，电能存储在滤波及降压电路3中的电容内。在滤波及降压电路3中，该高压直流电源电压得到滤波，此外通过电容分压以及开关管作用得到另一个电压较低的可调直流稳压源。两个电压源接入到半桥输出电路4，配合匹配电路5，在控制器7通过驱动电路6以及反馈电路8的控制下为超声直线电机提供稳定的直流偏置可调的交流脉冲电压或可调的直流电压。
如图2所示，本实施例半桥升压电路1采用半桥拓扑，使用升压变压器在功率管开关电路的作用下将市电整流所得的直流电压逆变隔离以及升压，对应的功率管采用变压器隔离驱动。所述整流电路2为全桥整流电路，采用二极管为高压快恢复二极管。
如图3所示，本实施例滤波及降压电路3中采用三个电容为整流电路2输出的电压滤波，其中两个电容C1、C2串联连接，串联点形成一个分压，通过两个MOS管及电感调节两个电容串联的连接点电压,使得该分压大小可调，用做微位移运动过程中压电陶瓷静态变形驱动电压，提高了响应速度，降低了功耗。另一个电容C3除滤波功能外，还用于抑制分压调节过程中整流电路输出电压可能出现的电压抬升幅度。
如图4所示，本实施例半桥输出电路4具有两路，将整流电路2经过滤波后的高压进行逆变，输出带直流偏置的交流方波脉冲。匹配电路具有两路，均为LC低通滤波器，将半桥输出电路4输出的方波脉冲滤波后输入到超声直流电机振子的两组压电陶瓷部件。在微位移运动时，电机的振子不动，调节滤波及降压电路3的输出电压即可驱动微位移补偿机构的压电陶瓷装置。
本实施例反馈电路为采用电阻分压、附加RC滤波电路，为控制器的ADC转换模块提供合适的采样电压。
本实施例采用功率MOS管专用驱动芯片设计驱动电路用于对控制器7输出的PWM控制信号进行功率放大，驱动半桥升压电路1、滤波及降压电路3、半桥输出电路4中对应的功率管。半桥升压电路1中为避免功率MOS管同时通导而采用变压器隔离驱动形式，使用独立的电源模块为控制部分单独供电。
本实施例7控制器主控采用STM32F103单片机，具备按键及串口通信接口以用于运行参数设置，运行参数包括脉冲幅值、脉冲偏置值、频率、相位以及脉冲个数等。运行时通过反馈电路8在闭环控制下保证输出电压的稳定
基于图1-4所示的V型超声直线电机驱动电源，其驱动方法包括：将输入的市电隔离升压到V型超声直线电机所需的直流高压；通过对半桥升压电路、滤波及降压电路、半桥输出电路的控制，使得V型超声直线电机在位移补偿运动中调节压电陶瓷电压实现微位移调节，在步进运动中调节驱动交流脉冲的直流分量实现超声直线预紧力微调。
具体的，V型超声直线电机驱动电源在进行驱动时，包括方法：
初始化，当本电源接入220V市电时，控制器7程序初始化，并且等待用户指令，之后对用户指令进行解析；
若当前要执行快速步进驱动模式，预先设定输出脉冲幅值、脉冲偏置值、频率、相位以及脉冲个数信息，调节电源输出直流电压的幅值到设定值并等待其稳定，设置好频率、相位关系后开启半桥输出电路逆变输出，并对输出的脉冲数进行计数，若输出脉冲达到设定值或收到停止指令，立即关闭脉冲输出并发送停止信号；
若当前要执行微位移驱动模式，则关闭脉冲输出，调节滤波及降压电路的输出电压，该电压经半桥输出电路和匹配电路后输入到超声直流电机振子的两组压电陶瓷部件，用于控制压电陶瓷静态变形。
本实施例中，V型超声直线电机外部设有位置检测装置，位置检测装置将驱动位置信息反馈给控制器，控制器根据反馈信息通过驱动电路对半桥升压电路、滤波及降压电路以及半桥输出电路进行调节，实现闭环的控制。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种V型超声直线电机驱动电源，其特征在于，包括半桥升压电路、整流电路、滤波及降压电路、半桥输出电路、匹配电路、驱动电路、控制器以及反馈电路，市电经半桥升压电路升压后再经整流电路整流，得到一个与市电隔离的高压直流电，滤波及降压电路对所述高压直流电滤波，其中包括两个串联的电容，串联点形成一个分压，该分压大小可调，得到可调直流稳压源，用做微位移运动过程中压电陶瓷静态变形驱动电压；将滤波后的高压直流电和可调直流稳压源接入半桥输出电路；控制器通过读取反馈电路模拟信号获取滤波及降压电路的输出信息，通过驱动电路对半桥升压电路、滤波及降压电路以及半桥输出电路进行调节，为超声直线电机提供稳定的直流偏置可调的交流脉冲电压或可调的直流电压。
2.根据权利要求1所述的V型超声直线电机驱动电源，其特征在于，所述半桥升压电路采用半桥拓扑，使用升压变压器在功率管开关电路的作用下对输入的交流市电进行隔离以及升压，对应的功率管采用变压器隔离驱动。
3.根据权利要求1所述的V型超声直线电机驱动电源，其特征在于，所述整流电路为全桥整流电路，采用二极管为高压快恢复二极管。
4.根据权利要求1所述的V型超声直线电机驱动电源，其特征在于，所述滤波及降压电路中采用三个电容为整流电路输出的电压滤波，其中两个电容串联连接，串联点形成一个分压，在功率管的控制下该分压大小可调，用做微位移运动过程中压电陶瓷静态变形驱动电压，另一个电容除滤波功能外，还用于抑制分压调节过程中整流电路输出电压可能出现的电压抬升幅度。
5.根据权利要求1所述的V型超声直线电机驱动电源，其特征在于，所述半桥输出电路具有两路，将整流电路经过滤波后的高压进行逆变，输出带直流偏置的交流方波脉冲；
所述匹配电路具有两路，均为LC低通滤波器，将半桥输出电路输出的方波脉冲滤波后输入到超声直流电机振子的两组压电陶瓷部件。
6.根据权利要求1所述的V型超声直线电机驱动电源，其特征在于，所述驱动电路用于对控制器输出的控制信号进行功率放大，驱动半桥升压电路、滤波及降压电路、半桥输出电路中对应的功率管。
7.根据权利要求1所述的V型超声直线电机驱动电源，其特征在于，所述控制器主控采用单片机，具备按键及串口通信接口以用于控制参数设置，运行时通过反馈电路在闭环控制下保证输出电压的稳定。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述V型超声直线电机驱动电源的驱动方法，其特征在于，包括步骤：
将输入的市电隔离升压到V型超声直线电机所需的直流高压；
通过对半桥升压电路、滤波及降压电路、半桥输出电路的控制，使得V型超声直线电机在位移补偿运动中调节压电陶瓷电压实现微位移调节，在步进运动中调节驱动交流脉冲的直流分量实现超声直线预紧力微调。
9.根据权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，驱动方法包括步骤：
若当前要执行快速步进驱动模式，预先设定输出脉冲幅值、脉冲偏置值、频率、相位以及脉冲个数信息，调节电源输出直流电压的幅值到设定值并等待其稳定，设置好频率、相位关系后开启半桥输出电路逆变输出，并对输出的脉冲数进行计数，若输出脉冲达到设定值或收到停止指令，立即关闭脉冲输出并发送停止信号；
若当前要执行微位移驱动模式，则调节滤波及降压电路的输出电压，该电压经半桥输出电路和匹配电路后输入到超声直流电机振子的两组压电陶瓷部件，用于控制压电陶瓷静态变形。
10.根据权利要求8或9所述的驱动方法，其特征在于，V型超声直线电机外部设有位置检测装置，位置检测装置将驱动位置信息反馈给控制器，控制器根据反馈信息通过驱动电路对半桥升压电路、滤波及降压电路以及半桥输出电路进行调节，实现闭环的控制。
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2020
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