CN202888804U - 行波超声波电机步进运行堵转检测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种行波超声波电机步进运行堵转检测系统，包括对行波超声波电机每一微步孤极反馈信号的峰值进行检测的高频脉冲峰值检测电路，高频脉冲峰值检测电路与数模转换电路连接，数模转换电路与单片机连接，单片机与继电开关连接，继电开关与超声波电机驱动器连接，超声波电机驱动器与行波超声波电机连接。本实用新型结构合理，可通过孤极反馈电压峰值，判断超声波电机步进运行时的堵转信息，不但可提高控制的性能，而且可延长电机使用寿命。该系统结构简单，采用单片机软件设置堵转电压检测阈值，可提高系统的通用性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种超声波电机堵转检测系统，尤其是一种行波超声波电机堵转检测系统，属于检测技术的技术领域。
背景技术
超声波电机是一种非电磁电机，它利用压电陶瓷的逆压电效应在定子上产生超声振动，通过与转子的摩擦耦合传递驱动力。由于其具有转速低、转矩大、定位精度高、功率密度大、无电磁干扰等优越特性，所以在航空航天、机器人、精密仪器等领域得到广泛应用。其卓越的性能是电磁电机无法替代的。
超声波电机亦存在一定的缺陷：电机运行时会引起温度升高；长时间工作导致电机材料特性和输出特性变化，产生谐振频率漂移、转速下降。在有些工作情况下超声波电机温度升高很快，造成输出特性迅速恶化。快速升温的原因很多，堵转是个主要因素。堵转时转子上的负载力或阻力等于摩擦力，转子静止，所以转子和定子的摩擦最剧烈，强烈的摩擦迅速转换成热能，使得电机短时间内温升很快；长时间的剧烈摩擦又造成转子和定子的磨损甚至开裂；同时堵转时驱动电流增大，导致压电陶瓷性能下降，在较大的振幅和转速下，压电陶瓷极易损坏。所以有必要创建一个缜密的监测和分析系统，对电机进行实时监测，以便采取有效手段和措施遏制超声波电机的堵转。
行波型超声波电机依靠压电陶瓷的振动在弹性体中形成行波，通过定转子之间的摩擦获得力矩，这种形式是对电磁电机能量传输形式的一种突破。行波超声波电机堵转时，定子和转子的强烈摩擦，也会造成压电陶瓷局部破裂和脱落。所以有必要创建一个缜密的监测和分析系统，对电机进行实时检测，以便采取有效手段和措施遏制超声波电机堵转的发生。在控制方法上，超声电机的步进运行适应了市场对通用定位器的要求。文献（华亮, 冯浩, 顾菊平, 张建生. 行波超声波电机微步控制研究[J]. 电气传动2009，39(3): 72-76）提出了行波超声波电机步进运行方法和策略，并对行波超声波电机步进运行进行了详细研究和说明。文献（华亮, 吴晓, 张建生, 易龙芳. 超声波电机堵转特性及堵转检测方法研究[J]. 电气传动, 2008，38（10）：73-77）对行波超声波电机堵转特性及堵转检测方法进行了研究，在理论上阐述了行波超声波电机摩擦磨损机理及堵转的危害，在实验研究基础上得到了行波超声波电机堵转时的特征信息。提出在行波型超声波电机微步运行时，通过对孤极反馈电压信号的峰值检测，判断行波型超声波电机是否处于堵转状态，并设计出的基于LabVIEW环境下开发的虚拟电机堵转检测系统。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种结构合理，提高控制的性能，延长电机使用寿命的行波超声波电机步进运行堵转检测系统。
本实用新型的技术解决方案是：
一种行波超声波电机步进运行堵转检测系统，其特征是：包括对行波超声波电机每一微步孤极反馈信号的峰值进行检测的高频脉冲峰值检测电路，高频脉冲峰值检测电路与数模转换电路连接，数模转换电路与单片机连接，单片机与继电开关连接，继电开关与超声波电机驱动器连接，超声波电机驱动器与行波超声波电机连接。
本实用新型的行波超声波电机步进运行时的堵转检测系统由单片机、超声波电机驱动器、AD转换模块、峰值检测电路、继电开关组成。超声波电机驱动器电源由继电开关控制，并驱动电机步进运行。由于超声波定子振动频率在20KHZ以上，传统的低速采样保持电路很难做到捕捉和保持高频正弦波形的最大峰值，因此采用高频峰值电压测量电路检测超声波电机孤极反馈正弦波电压峰值。峰值检测电路输出的直流电压与AD转换电路相连，转换的数字量送入单片机。行波超声波电机正常步进运行时，每一微步都出现孤极反馈电压的超调，此时可检测到较高的电压峰值。行波超声波电机堵转时，每一微步的孤级反馈电压没有超调出现。由单片机设置电压阈值，通过连续检测若干个微步反馈电压没有发生超调，则可判断电机处于堵转状态。当检测到堵转后，单片机控制继电开关切断驱动器电源，使电机停转。
本实用新型结构合理，可通过孤极反馈电压峰值，判断超声波电机步进运行时的堵转信息，不但可提高控制的性能，而且可延长电机使用寿命。该系统结构简单，采用单片机软件设置堵转电压检测阈值，可提高系统的通用性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型一个实施例的结构示意图。
图2是行波超声波电机步进运行时的堵转检测系统单片机控制程序流程图。由单片机采集数模转换信号，与设置的阈值相比较，连续三次检测到采样数值小于阈值，则说明电机在三个微步中没有出现孤极反馈电压超调，则可判断电机堵转。此时单片机发出指令控制继电开关，切断电源，使电机停转。
图3是高频峰值检测电路，由两个运放OPA606，OPA128组成了一个深度反馈电路。
具体实施方式
一种行波超声波电机步进运行堵转检测系统，包括对行波超声波电机1每一微步孤极反馈信号的峰值进行检测的高频脉冲峰值检测电路2，高频脉冲峰值检测电路与数模转换电路3连接，数模转换电路与单片机4连接，单片机与继电开关5连接，继电开关与超声波电机驱动器6连接，超声波电机驱动器与行波超声波电机1连接。
高频脉冲峰值检测电路的输入直流信号，送入AD转换电路（即数模转换电路3），转换的数字量送入单片机。单片机连续采样三个微步距的孤极反馈电压峰值，如果均小于阈值，则可判断行波超声波电机堵转。不同型号的行波超声波电机，孤极反馈电压超调时的峰值不同，因此可采用单片机软件设置阈值大小，可使系统具有通用性。当单片机检测到堵转信息后，通过I/O口驱动继电开关断开驱动器电源，使行波超声波电机停转。
在行波超声波电机每一微步启动时定子出现振动超调，这种超调是行波超声波电机固有特性。实验表明，当电机处于堵转状态时，这种超调将不存在。而超声波电机定子振动频率在20KHZ以上，因此采用高频脉冲峰值检测电路，检测高频正弦波电压峰值，从而判断电压超调的存在，以实现堵转检测。
图3中两个运放OPA606，OPA128组成了一个深度反馈电路。待测信号从输入端输入，运放OPA606的2，3脚虚短，即2脚上的信号与3脚上的信号吻合。信号对1nF的电容进行充电，由于电容前端有一个箝位二极管，起到提供一个有效的输入缓冲，并且可以防止电容放电和负饱和，电容的电压最终为输入信号的最大值，而OPA128所示的电路为一个运放组成的跟随器电路。所以OPA128的2，6脚的信号与3脚的信号相同，即电容上的电压，也即为所要测得的峰值电压。因为输入信号在后半周期为负值，为了避免输出信号的缺失，将OPA128的2脚与OPA606的2脚相接，从而当输入信号为负值时，由OPA606部分组成的反相积分器开始工作，保证了输出信号的完整。对检测电路进行仿真。
Claims (1)
1. 一种行波超声波电机步进运行堵转检测系统，其特征是：包括对行波超声波电机每一微步孤极反馈信号的峰值进行检测的高频脉冲峰值检测电路，高频脉冲峰值检测电路与数模转换电路连接，数模转换电路与单片机连接，单片机与继电开关连接，继电开关与超声波电机驱动器连接，超声波电机驱动器与行波超声波电机连接。
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