CN204595517U - 一种超声电机谐振频率自跟踪驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种超声电机谐振频率自跟踪驱动系统，包括数字信号处理器、低通滤波电路、移相电路、自动频率跟踪装置、直流电源、驱动电路、光电编码器以及超声电机。本实用新型的超声电机驱动电路中，通过自动频率跟踪装置实现了超声电机谐振频率点的准确跟踪。其依据的原理是当驱动电路输出驱动电源频率与超声电机谐振频率相同时，超声电机的压电原件电压会快速提高到峰值。通过单片机控制驱动电源频率的正负变化，寻找电压突变点来寻找到超声电机的谐振点，通过该方案也能很好变压温度升高而引起的谐振频率漂移。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种超声电机谐振频率自跟踪驱动系统。
背景技术
超声电机(ultrasonic motor，USM)是一种新型电机，它利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将弹性材料(定子)的微变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。与传统电磁电机相比，超声电机具有惯性小、响应快、不受磁场影响且其本身也不产生磁场的特点；此外，它还有重量轻、结构简单、噪声小、低速大扭矩以及可直接驱动负载等优点。超声电机目前已应用于宇宙飞船、火星探测器、导弹、核弹头等航空航天工程和军事领域，以及自动调焦镜头和石英表等民用领域。超声波电机的参数时刻变化，系统呈现高度非线性，可见超声波电机是复杂的多变量、强耦合、时变系统。因此，超声波电机的性能不仅仅取决于电机自身结构的好坏，在很大程度上还取决于其驱动控制系统的优劣。并且由于超声波电机呈现容性特性，这就决定了超声波电机驱动器的设计完全不同于呈电感性的传统电磁型电机的驱动器设计。超声电机的驱动，其存在调压控制、变相位差控制、变频控制等控制策略。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种超声电机谐振频率自跟踪驱动系统，在电机驱动过程中能准确跟踪谐振频率的变化。
技术方案：一种超声电机谐振频率自跟踪驱动系统，包括数字信号处理器、低通滤波电路、移相电路、自动频率跟踪装置、直流电源、驱动电路、光电编码器以及超声电机；所述直流电源输出端连接所述驱动电路的电能输入端，所述光电编码器的信号输出端连接所述数字信号处理器的信号输入端，所述数字信号处理器的信号输出端分别连接到低通滤波电路和移相电路的控制信号输入端，所述低通滤波电路信号输出端连接所述移相电路的信号输入端，所述移相电路信号输出端连接驱动电路的信号输入端，所述驱动电路的信号输出端连接超声电机；其中，所述自动频率跟踪装置包括依次顺序连接的采样滤波电路、A/D转换电路、单片机、D/A转换电路、压频转换电路以及波形发生器；所述采样滤波电路的信号输入端连接所述超声电机，所述波形发生器的信号输出端连接所述移相电路的控制信号输入端。
进一步的，所述驱动电路为全桥逆变电路或推免电路。
有益效果：传统技术中，超声电机驱动频率的跟踪大多是通过电压反馈器和积分电路完成，电压反馈器是基于模拟信号技术实现的，其优点是电路简单、成本较低。但在某些需要对驱动电源频率准确跟踪的情况下，传统的方案就很难满足了，因为其精度较低。本实用新型的超声电机驱动电路中，通过自动频率跟踪装置实现了超声电机谐振频率点的准确跟踪。其依据的原理是当驱动电路输出驱动电源频率与超声电机谐振频率相同时，超声电机的压电原件电压会快速提高到峰值。通过单片机控制驱动电源频率的正负变化，寻找电压突变点来寻找到超声电机的谐振点，通过该方案也能很好变压温度升高而引起的谐振频率漂移。
附图说明
图1为一种超声电机变频驱动系统结构示意图；
图2为自动频率跟踪装置构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所述，一种超声电机谐振频率自跟踪驱动系统，包括数字信号处理器、低通滤波电路、移相电路、自动频率跟踪装置、直流电源、驱动电路、光电编码器以及超声电机。直流电源输出端连接驱动电路的电能输入端，光电编码器的信号输出端连接数字信号处理器的信号输入端。数字信号处理器的信号输出端分别连接到低通滤波电路和移相电路的控制信号输入端，低通滤波电路信号输出端连接移相电路的信号输入端，移相电路信号输出端连接驱动电路的信号输入端，驱动电路的信号输出端连接超声电机。如图2所示，自动频率跟踪装置包括依次顺序连接的采样滤波电路、A/D转换电路、单片机、D/A转换电路、压频转换电路以及波形发生器。采样滤波电路的信号输入端连接超声电机，波形发生器的信号输出端连接移相电路的控制信号输入端。
数字信号处理器输出占空比可调的PWM信号到低通滤波电路，PWM信号在低通滤波电路中先经过光耦隔离，再输入二阶低通滤波电路，滤除PWM信号的高频部分，从而输出直流电压。当驱动电路输出驱动电源频率与超声电机谐振频率相同时，超声电机的压电原件电压会快速提高到峰值，自动频率跟踪装置即利用该特性实现频率的跟踪。
在自动频率跟踪装置中，单片机输出控制信号控制A/D转换电路输出变化电压，该变化电压传输到压频转换电路后，变化的电压转换成输出频率变化的信号，该变化的频率信号输入到波形发生器后产生驱动超声电机两相电源的开关信号。该开关信号发送到移相电路，作为移相电路环形计数器的输入时钟。驱动电路采用全桥逆变电路或推免电路，驱动电路根据移相电路输出的时序信号将直流输入电压逆变为高频交流电压，即输出两路相位差为90°的方波信号驱动超声波电机。此时，自动频率跟踪装置中采样滤波电路采集超声电机压电原件的电压信号并进过滤波后，将压电原件的电压信号转换成0～5V的平滑电压后送入到A/D转换电路。该A/D转换电路对电压信号作模数转换后，将处理结果及其对应的频率信号值存储在单片机内，单片机通过与上一次采样检测值作比较，当频率在一定范围增加后，如20～80KHz时，单片机会记录到一个最大电压值，当超声电机的在上述频率范围内变化时，最大电压值对应的频率值即电机的谐振频率，电机在这个点附件就会得到较大的输出力矩。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种超声电机谐振频率自跟踪驱动系统，其特征在于：包括数字信号处理器、低通滤波电路、移相电路、自动频率跟踪装置、直流电源、驱动电路、光电编码器以及超声电机；所述直流电源输出端连接所述驱动电路的电能输入端，所述光电编码器的信号输出端连接所述数字信号处理器的信号输入端，所述数字信号处理器的信号输出端分别连接到低通滤波电路和移相电路的控制信号输入端，所述低通滤波电路信号输出端连接所述移相电路的信号输入端，所述移相电路信号输出端连接驱动电路的信号输入端，所述驱动电路的信号输出端连接超声电机；其中，所述自动频率跟踪装置包括依次顺序连接的采样滤波电路、A/D转换电路、单片机、D/A转换电路、压频转换电路以及波形发生器；所述采样滤波电路的信号输入端连接所述超声电机，所述波形发生器的信号输出端连接所述移相电路的控制信号输入端。
2.根据权利要求1所述的一种超声电机谐振频率自跟踪驱动系统，其特征在于：所述驱动电路为全桥逆变电路或推免电路。
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