CN1812246A - 非接触液体媒质超声波电机频率跟踪转速控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用在非接触超声波电机上的频率跟踪转速控制系统，包括控制信号接口电路、电机驱动电路、控制器、电机振动检测电路。其中，电机振动检测电路包括积分移相电路、比例放大电路、减法电路、鉴相电路；由积分移相电路将采样得到的电机驱动电压移相90°，再经比例放大电路和减法电路输出检测信号，鉴相电路输出检测信号和驱动电压之间的相位差，此相位差作为控制器的反馈信号；控制器根据反馈信号和从控制信号接口电路输入的给定转速，调节驱动电路输出电压的频率。本发明的优点在于，结构简单，成本低，能够精确控制转速的超声波电机转速。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波电机，特别涉及一种超声波电机的转速控制系统，属于微特电机领域。
背景技术
为了提高电机的控制精度，应该采用先进的控制策略，在这些控制策略中，控制系统根据转速反馈实现电机的调节。在传统的行波接触型超声波电机中，可以通过两种方法得到电机转速，一种是通过安装转速传感器，这将增加系统的成本并限制系统的应用范围，另外一种是利用粘贴在定子上的一片压电片，其反馈电压与速度成正比，可作为速度检测元件。对于行波非接触型超声波电机，由于其特殊的定子结构，所有的压电片都作为激励元件，而不能作为检测元件，因此第二种方法也不适合行波非接触型超声波电机。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种的结构简单，成本低，能够精确控制转速的超声波电机转速控制系统。为此，本发明采用如下的技术方案。
本发明的转速控制系统针对行波非接触型超声波电机而设计，电机主要包括定子体、转子，定子体为环状柱体，其表面设置有环形压电陶瓷片。
本发明的频率跟踪转速控制系统包括控制信号接口电路、电机驱动电路、控制器、电机振动检测电路；
控制信号接口电路用于给定转速的设置及电机启动/停止、正/反转控制；
驱动电路用于产生驱动超声波电机的功率信号；
振动检测电路包括积分移相电路、比例放大电路、减法电路、鉴相电路。由积分移相电路将采样得到的电机驱动电压移相90°，再经比例放大电路和减法电路输出检测信号，鉴相电路输出检测信号和驱动电压之间的相位差，作为控制装置的反馈信号；
控制器根据振动检测电路的输出和从控制信号接口电路输入的给定转速，调节驱动电路控制信号的频率。
作为备选方案，本发明中的电机驱动电路由主要桥式电路和变压器升压电路构成，桥式电路的输入端接有路数与压电陶瓷片数目相同，相互之间具有相位差的一组方波信号，其输出端经过变压器升压电路升压后连接至电极，利用压电陶瓷片本身的等效电容滤去方波中的高次谐波，得到交变的正弦电压。
作为进一步的备选方案，电机压电陶瓷片分为4组，变压器升压电路包括两个变压器，每个变压器由一个原边线圈和一个带中间抽头的副边线圈构成构成，副边线圈的两端分别连到对应的压电陶瓷片，两个副边线圈的两个中间抽头连接在一起，作为公共端，连接到定子体。
本发明的有益效果是：
1、无需采用速度传感器，根据驱动电压和驱动电流获得电机振动状态，进而得到电机转速，降低了系统成本，增大了电机的应用范围。
2、控制策略简单，可移植性好，对于不同参数的非接触液体媒质超声波电机，只需调节振动检测电路中的比例系数，即可实现电机转速辨识。
3、采用了基于数字信号处理器(DSP)的控制器，速度控制精度高。
4、驱动系统利用超声波电机呈容性的特点，滤掉驱动电压中的高次谐波获得正弦电压，电路结构简单。
附图说明
图1为本发明的非接触液体媒质超声波电机压电陶瓷片分组及激励方式。
图2为本发明的频率跟踪转速控制装置原理图。
图3为本发明的振动检测电路原理图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明做进一步详述。
本发明提供一种新型的非接触型液体媒质超声波电机的转速控制装置，该种电机利用定子振动产生的强声场在液体媒质中激发出声流，通过声流驱动转子旋转，组成部件主要包括定子、转子、支架、液体媒质。
在本实施例中，电机的定子体为环状柱体，在定子体的上表面贴有环形压电陶瓷片，压电陶瓷片沿厚度方向极化，极化方向相同，分为8个区间，每个区间角度为45°，对顶区间连接，图1为压电陶瓷片分组和激励方式。当施加Asinωt、Acosωt、-Asinωt、-Acosωt的交流电压时，定子激发出4个在空间和时间上互差90°的驻波，最终合成为旋转的行波，在液体媒质中产生非线性强声场，在这个强声场的作用下，液体媒质产生稳定的流动——声流，声流驱动转子旋转，完成能量转换。转子旋转方向与行波方向一致，可以通过改变压电陶瓷的激励方式，改变行波的方向，实现对电极转向的控制。
本发明的频率跟踪转速控制装置原理图，如图2所示，控制信号接口电路1与控制器2相连，控制器2输出接到电机驱动电路3输入端，驱动电路3连接到超声波电机4，电压、电流传感器采集电机驱动电压和电流信号，连接到电机振动检测电路5，电机振动检测电路5连接到控制器2。电机驱动电路3包括桥式电路31和变压器升压电路32。其中的桥式电路31分为两路，其输入是四路两两相位差90°的控制信号，相位差180°的两路信号一组，输入到一路桥式电路。桥式电路31实现了功率放大，将输入控制信号放大为相位差90°的大电流功率信号。桥式电路31的输出分别连到两个变压器的原边线圈的两端，经过变压器升压到所需的电压，输出四路两两相位差90°的驱动电压连接到超声波电机相应的压电陶瓷片，而变压器副边线圈的公共端连接到超声波电机的定子体上。利用超声波电机呈容性的特点，驱动电压中的高次谐波被滤掉得到正弦电压。压电陶瓷片受到激励，在超声波电机定子上产生行波，进而驱动转子旋转。
本发明的转速控制装置中的控制器采用信号处理器(DSP)TMS320F2407，振动检测电路包括积分移相电路、放大电路、减法电路、鉴相电路。在控制系统中，DSP控制器是系统的核心，要完成的功能有：(1)接受外部速度给定、正/反转和启动/停止信号；(2)利用本身模数转换模块(A/D)对振动检测电路输出进行采样，根据采样数据辨识电机转速；(3)根据速度给定信号和转速辨识值，调节驱动信号的频率。振动检测电路对驱动电压、电流信号进行变换、运算，确定电机振动状态。控制信号接口电路完成给定转速的设置及电机正/反转、启动/停止控制。
下面介绍本发明采用的利用频率跟踪辨识电机转速的原理。超声波电机的等效电路由两个支路构成，一个为等效损耗电容支路，另一个为等效电感、电容、电阻串联支路。此串联支路电流和驱动电压之间的相位差α，随驱动电压频率改变而改变，当驱动频率和电机谐振频率一致时，相位差为0，而增大(减小)驱动频率，相位差减小(增大)。定义Δf为驱动频率和谐振频率的偏差，则α和Δf近似为线性关系。Δf描述了电机的振动状态，Δf＝0时，电机工作在谐振状态，此时转速最高，Δf≠0时，电机偏离谐振状态，转速下降，因此确定了Δf即可辨识出电机转速，这就是频率跟踪辨识转速的原理。本发明利用相位差α确定Δf。在振动检测电路中，由电压传感器得到的驱动电压，经积分电路移相90°并由比例电路放大后，与超声波电机电容支路的电流相对应。由电流传感器得到的驱动电流，减去此电容支路电流即得到了串联支路电流对应的检测信号。最后，利用鉴相电路得到驱动电压和串联支路电流之间的相位差，控制系统根据此相位差即可得到电机转速。
对于超声波电机，一般使驱动频率高于谐振频率，即电流滞后电压0-90°。电机运行时，当定子温度升高或液体媒质参数变化，引起电机谐振频率漂移时，电机转速将偏离设定值，此时振动检测电路将检测到驱动电压和串联支路电流相位差的变化，控制器根据设定值和反馈值的误差，改变内部定时器的计数周期，进而调节驱动信号的频率，使电机转速保持为设定值。
需要说明的是，这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或具体实施方式，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述发明，实际上在系统构成和使用的某些细节上会有所变化，这些变化和应用都应该属于本发明的范围内。此外，本发明里所提及的各种器件，例如集成化的桥式电路等，其电路实现均可采用常规的器件和设计方法，本领域的技术人员能够不经过创造性劳动实现本发明。
Claims (3)
1、一种非接触液体媒质超声波电机频率跟踪转速控制系统，其中，电机为非接触液体媒质超声波电机，包括定子体、转子、液体媒质，定子体为环状柱体，其表面设置有环形压电陶瓷片，其特征在于，
频率跟踪转速控制系统包括控制信号接口电路、电机驱动电路、控制器、电机振动检测电路；
所述控制信号接口电路用于给定转速的设置及电机启动/停止、正/反转控制；
所述驱动电路用于产生驱动超声波电机的功率信号；
所述振动检测电路包括积分移相电路、比例放大电路、减法电路、鉴相电路。由积分移相电路将采样得到的电机驱动电压移相90°，再经比例放大电路和减法电路输出检测信号，鉴相电路输出检测信号和驱动电压之间的相位差，作为控制装置的反馈信号；
所述控制器根据振动检测电路的输出和从控制信号接口电路输入的给定转速，调节驱动电路控制信号的频率。
2、根据权利要求1所述的超声波电机频率跟踪转速控制系统，其特征在于，所述电机驱动电路包括桥式电路和变压器升压电路，桥式电路的输入端接有路数与压电陶瓷片数目相同，相互之间具有相位差的一组方波信号，其输出端经过变压器升压电路升压后连接至相应的压电陶瓷片，利用压电陶瓷片本身的等效电容滤去方波中的高次谐波，得到交变的正弦电压。
3、根据权利要求1所述的超声波电机频率跟踪转速控制系统，其特征在于，所述电机压电陶瓷片分为4组，所述变压器升压电路包括两个变压器，每个变压器由一个原边线圈和一个带中间抽头的副边线圈构成构成，副边线圈的两端分别连到对应的压电陶瓷片上，两个副边线圈的两个中间抽头连接在一起，作为公共端，连接到定子体。
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