（通信与信息系统专业论文）专用超声波电机驱动电路研究.pdf

专用超声波电机驱动电路研究 摘要 超声波电机( u l t r a s o n i cm o t o r 简称u s m ) 是一种新型的微特电机，有别于传统的 电磁电机。在本文引言中，说明了u s m 与传统电磁电机相比的主要优点、基本组成及 应用前景，同时说明了开展专用u s m 的驱动电路研究工作的背景及主要工作内容，作 者要完成设计、样品加工及应用三部分工作等，此论文就是这三部分研究工作的总结。 首先，根据对驱动电路的要求，结合国内外传统压电马达驱动电路的系统方案，设 计出专用超声波电机的驱动电路的系统方案。在本方案中增加了位置检测与归零单元， 去掉了频率跟踪单元，采用d s p 作为控制单元，整合了电机驱动信号产生、电机选择 与启动、位置检测信号处理和特殊信号译码等功能，有利于电路小型化和稳定性。方案 具有新颖和独特性。 其次，详细介绍了利用仿真与实际调试相结合的方法，完成了推挽逆变电路及升压 脉冲变压器的工程设计和调试，着重解决了浪涌及功率开关管保护等问题，注意了变压 器绕制工艺与漏感的关系。采用d s p 芯片实现了多种控制和软、硬件结合，给出了用c 语言编写的程序，重点解决了程序的调试与抗干扰问题。采用独特的数字编码方法，实 现了位置检测的结构设计，完成了性能初步调试以及与d s p 组成闭环系统，消除电机 不断步进引起的空间位置上的积累误差，实现了电机步进误差归零的技术要求。设计了 电路工程板图，完成了样机两台的加工和调试工作，与超声波电机进行了匹配调试实验， 重点解决了阻抗匹配问题，达到了驱动电路的设计指标，实现了设计、加工、匹配调试 三部分工作的基本要求。 最后，根据前一段工作，提出了一些今后工作的意见，特别是工程应用化与集成化 方面的研究想法。 关键词：超声波电机，驱动电路，d s p ，脉冲变压器，位置检测与归零 专用超声波宅机驱动电路研究 a b s t r a c t u l t r a s o n i cm o t o r ( u s m ) ，a san e wt y p eo fm i c r o m o t o r , i sd i f f e r e n tf r o mt h e c o n v e n t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cm o t o r i nt h ei n t r o d u c t i o n ，u s m sa d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t h t h ec o n v e n t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cm o t o r , m a mc o n s t r u c t sa n dt h ep r o s p e c to f a p p l i c a t i o na r e i n t r o d u c e d b a s e do nt h ed e m a n d so fm i n i a t u r i z a t i o n ，t h eb a c k g r o u n da n dt h em a i nt a s k so f t h i ss p e c i a ld r i v i n gc i r c u i ta r ei n t r o d u c e d ，t o o d e s i g n i n gs u c hac i r c u i t ，m a k i n gap r o t o t y p e a n dm a t c h i n gw i t hu s ma r et h em a i nt a s k so ft h ea u t h o r s ot h i sp a p e ri st h ec o n c l u s i o no f t h e s ew o r km o t i o n e da b o v e f i r s t ，a f t e rs t u d i e dm a n yc o n v e n t i o n a ls y s t e ms c h e m e so fd r i v i n gc i r c u i t sa d o p t e di nt h i s d o m a i na n db a s e do na c t u a lr e q u i r e m e n t s ，as y s t e ms c h e m ef o rt h i ss p e c i a lc i r c u i ti sd e s i g n e d i nt h i ss c h e m e ，f r e q u e n c yt r a c i n gu n i ti sc a n c e l e d ，ap o s i t i o nl o c a t i n ga n de r r o rc l e a r i n gu n i ti s i n s t e a d ，d s pi s a d o p t e da s t h ec o n t r o lu n i tw h i c hh a sm a n yf u n c t i o n ss u c ha sf o r m i n gt h e d r i v i n gs i g n a l s ，s e l e c t i n gm o t o r sa n dc o n t r o l l i n gm o t o r ss t a r t ，p r o c e s s i n gt h es i g n a lo ft h e p o s i t i o nl o c a t i n ga n dd e c o d i n go t h e rs p e c i a ls i g n a l s c o m b i n e ds o t l w a r ew i t hh a r d w a r e b e n e f i t st h em i n i a t u r i z a t i o na n dt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m s ot h i sd e s i g nh a san o v e la n d u n i q u ef e a t u r e s e c o n d l y , am e t h o dc o m b i n e ds i m u l a t i n gw i 也p r a c t i c a lt e s ti si n t r o d u c e di nd e t m l a n e n g i n e e r i n gd e s i g na n dt e s tf o rt h ep u s h - p u l li n v e r t e ra n dp u l s et r a n s f o r m e ri sd o n e s o m e q u e s t i o n s ，e s p e c i a l l yh o wt os u p p r e s st h es u r g eo ft h ec i r c u i ta n dh o w t op r o t e c tt h ep o w e r m o s f e t sa r es o l v e d i nt h es a m et i m e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a n u f a c t u r e t e c h n o l o g y o ft r a n s f o r m e ra n dl e a k a g ei n d u c t a n c ei sn o t i c e d m a n yc o n t r o lf i m c t i o n sa n dc o m b i n a t i o n b e t w e e nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ef i n i s h e db yd s p a n d c o r r e s p o n d i n gcp r o g r a mi so f f e r e d a d o p t e d au n i q u ed i g i t a le n c o d i n gm e t h o d ，ac o n s t r u c tu s i n gf o rp o s i t i o nl o c a t i n gi sd e s i g n e d t h er e s u l to ft e s ts h o w st h a tt h i sd e s i g nc a nc l e a rc u m u l a t ee r r o ra n ds a t i s f yt h es p e c i a l d e m a n d sa tl a s ta ne n g i n e e r i n gp c bi sf i n i s h e da n dt w op r o t o t y p e sa r ef o r m e d m a t c h e d w i t hu s m ，t h e s et w op r o t o t y p e sa r ev a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s t h er e s u l ts h o w st h a tm a i n d e s i g n i n gf i g u r e sa r ea c h i e v e d a tl a s t ，t h ew o r kd o n ei nt h ef i r s ts t e pi ss u m m a r i z e da n ds o m er e q u i r e m e n t s ，e s p e c i a l l y t h em i n d sa b o u te n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n d s y s t e mi n t e g r a t i o na r ep u tf o r w a r d ，t o o k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cm o t o r , d r i v i n gc i r c u i t ，d s p , p u l s et r a n s f o r m e r ，p o s i t i o nl o c a t i n g a n de r r o rc l e a r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国工程物理研究院或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：奠芝轧善 签字日期：n r 年3 月31 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使用学位 论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授权中国工程物 理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文作者签名：夫垒先褥 签字日期：一。蛑3 月3 日 导师签名：畏奇占f 签字日期：年；月；f 日 专用超声波电机驱动电路研究 第一章引言 超声波电机( u l t r a s o m cm o t o r ，简称u s m ) 是二十世纪8 0 年代中期迅速发展起来的 新型电机，它利用压电材料的逆压电效应把电能转化电机定子的机械振动能，又通过定、 转子间的摩擦作用驱动转子运动。这种超声波电机具有突出的特点，因而受到广泛关注， 在微机械系统( m e m s ) 、纳米技术、军工、机械人、生物学、医疗器械、航空航天、 办公自动化等领域展现出巨大的应用潜力和优势。 1 1 超声波电机的基本组成和一般工作原理 超声波电机种类很多，诸如：驻波型、行波型、纵扭型、复合型，其结构千差 万别，但它的基本组成如图1 1 。 电能j 输a 振动体 _ 一凡、， 压电摇子弹性谇 2 0 k i - i z ) ，此电压加到压电陶瓷体上( 陶瓷体作过极化处理) 使定子( 压电陶瓷粘在其上的弹性粱) 产生弯曲波振动，在定子表面质点形成椭圆运动， 导致定子表面质量点与接触转子表面产生相对运动，又因转子表面为摩擦材料，则定、 转子间存在滑动摩擦，其摩擦驱动力为f ： = f f c ( r 咋) d x ( 1 一1 ) 专用超声波电机驱动电路研究 其中：f 为接触点的正压力( 一般由预压力产生) ： p 为与转子相接触的定子表面质点的切向速度； v 一为转子转速； 三为定转子接触区域。 由于，的存在，使转子产生运动( 直线或转动) 。 超声波电机的定子由压电陶瓷和弹性体粘合而成，在高频电压驱动信号的作用下， 压电陶瓷片通过逆压电效应产生超声波频率振动，实现电能到机械振动能的转换；超声 波电机的转子是由转子基体与粘按在其上的摩擦材料组成，并通过弹簧与定子压紧，借 助摩擦使定子弹性体的交变振动变成单一方向的转子的直线或旋转运动，实现机械振动 能到转子动能的转换。鉴于高频振动是由压电晶体产生的，故超声波电机又称压电马达。 超声波电机的高频驱动电路则要保证超声波电机工作在本身谐振频率附近所需的 电压驱动信号的频率、相位和幅值要求，实现最大的电机转换效率，并且要考虑由于 各种原因使谐振频率发生变化、输出力矩改变以及影响工作性能的补偿和控制技术。另 外，如果为确保电机转动到几何位置”0 ( 0 是步进角，n = o ，1 ，2 ) 的地方，电机转动 的角度被检测且误差在要求的范围内，那么还需对超声波电机有位置定位和归零的控制 技术。 1 2 行波型u s m 的结构和工作原理 本设计要驱动的专用超声波电机是一种行波型马达，图1 2 给出了行波型u s m 的一般 结构图和极化图。 ( a ) 结构图 ( b ) 压电片极化图 图1 2 行波型u s m 结构图和极化图 从图1 2 a n 见，行波马达的本体是由定子和转子构成，且定子上粘有压电陶瓷，从 图1 2 b n 以看出，u s m 的压电陶瓷被分成空间成9 0 。的两个部分( a 相、b 相) 。这两部分 专用超声波电机驱动电路研究 压电陶瓷上分别加上相位差9 0 。的两相交流电压( 频率f 2 0 k t l z ) 进行激励。由此在定子 的中性面上，由逆压电效应所激发的两个驻波的合成行波： 阡- ( r ，口，) = a r ( r ) c o s m o c o s c o t 阡名( ，目，f ) = a r ( r ) s m m o s i nc o t ( 中性面) = + = a r ( r ) c o s ( m o 一删) ( 1 - 2 ) 其中m 为超声波马达振动模态阶次( 与极化分布有关) ，a 2 ( r ) 为振动幅度。在定子表面 ( 距中性面距离为h ) 则有： 暖；= a r ( r ) c o s ( t o o 一r ) 根据扳壳理论，在定子表面；，否方向有： w e z 嵩k 一= ；舢s i n ( m 0 删 彬= 一 竽= 一m r p ) c o s ( m o 一耐) o r 定予表面位移： ：p = w ：乏+ w ，；，+ w 口一e o ( 1 - 3 ) 又因： ( 南) 2 + ( 赤) 2 - l n 4 所以，定子表面质点作椭圆运动，见( 1 - 4 ) 式，而定子表面p 点的速度为：堕。 c l t 当w z m a x ，且定转子不存在滑动时，有： 肇：一旦。w a r p ) 一e e ( 1 - 5 ) d t 7 则转子产生运动的角速度为： 乒，。，= 一h) ( 1 - 6 ) 7 - m w a r ( r 1 - 6 ，。，= 一) o 由( 1 6 ) 可见转子产生了运动，所以行波马达的工作原理是由驱动电路形成相差 9 0 。的电压信号加在压电陶瓷上，利用逆压电效应形成定子弯曲波振动，且在定子表面 形成椭圆运动，从而使转子产生运动。而驱动电路的设计必须与行波型马达要求相匹配。 1 3 超声波电机的主要特点 1 3 1 能量密度大，容易实现小型化 同静电电机( m e m s ) 和电磁电机相比，超声波电机的功率密度比静电电机高出几 个数量级，是电磁电机的5 1 0 倍，表1 1 给出了这几种电机的功率密度比较，从表中可 专用超声波电机驱动电路研究 以看出超声波电机具有较高的功率密度。超声波电机的这特点，在执行器小型化的技 术领域中具有明显的优势，因而成为目前国内外重点探索的一个技术领域。 表1 1 超声波电机、静电微电机和微电磁电机功率密度计算比较 功率密度公式 能量 电磁密度计算 m e m s 静电电机 三啦2 h e 2 如 4 0 j m 3 ( e = 3 v u m ) 电磁式电机 趔2 三f 艘z 咖 4 1 0 5 ，m 3 j 。 ( b = 1 t ) 1 6 1 0 5 t ，m 3 压电超声波电机 妻q 。k 3 3 e 3 3 e o e 2 ( e = 1 v u m ) 说明：e 0 为真空介电常数；卢为磁导率；民、k ：，、9 3 3 分别为压电电机的品质因 数、机电耦合系数和压电晶体的介电常数。 1 3 2 断电自锁和不受电磁干扰 超声波电机是靠定、转子之间的摩擦力作用运动的，而且定、转子之间有很大的预 压力作用。因而当电机断电时，由于预压力引起的摩擦力的作用，电机仍能保持断电时 的转动位置不变，即超声波电机具有停电自锁功能。这为步进控制提供了有利条件。 从超声波电机的运行机理上看，超声波电机的运转未使用磁场，因而不会受到外界 电磁干扰的影响，同时也不会产生电磁场干扰影响其周围的电子器件。 1 3 3 低速大力矩 表1 2 给出了超声波电机与电磁电机的性能比较，图l3 给出了超声波电机输出转矩 与转速和效率关系的机械特性曲线，从中可以看出，超声波电机低速下转矩大而且效率 高。正是由于超声波电机低速下能够输出较大的转矩的缘故，所以超声波电机无需利用 减速机构增大转矩就可以实现对负载的直接驱动。由于电机和负载之间没有中间的增减 速机构，所以也就不会有中间误差产生。 4 专用超声波电机驱动电路研究 表1 2 超声马达与电磁马达性能比较表 停止力矩空载转速扭矩密度最大效率 类型结构制造商 斛c m ) ( r r a i n ) ( n - m k 酌 ( ) e md c 无刷a e r o f l e x 0 3 31 3 5 0 002 97 1 e md c 带剧m i c r o m o0 9 9 4 ，0 0 0 00 42 0 e md c 带刷 m a x o n12 7 5 ，2 0 0 1 1 3 7 0 e m d c 带刷m a b u c h i 1 6 0 1 4 ，5 0 0 0 4 2 5 3 u s m 驻波纵扭 k u m a d a1 3 31 2 0 8 88 0 u s m 行波盘型 s h m s e i6 01 0 0 2 62 7 u s m 行波盘型 m r r 1 7 04 05 21 5 行波环型 u s m m i t0 0 5 41 7 5 02 1 8 m m ； 薹 ： 剥 髯 图1 3 超声波电机的机械特性曲线 1 4 超声波电机的国内外发展状况 1 4 1 超声波电机国内外发展 r u p 桀 藏 娑 人们在5 0 年代就认识了超声波电机的基本原理，但是限于当时材料、加工技术的条 件，实用化的超声波电机没能发展起来。直到8 0 年代，随着材料科学、电子技术以及加 工技术的发展，超声波电机从理论到应用都有了长足的发展。并在航空航天、机器人、 精密仪器仪表、医疗器械、汽车和照相器材等领域展示了广阔的应用前景。 最早出现的超声波电机是在1 9 6 1 年，当时b u l o v a w a t c hl t d 公司首次利用弹性体振动 驱动钟表齿轮，工作频率是3 6 0 h z ，钟表走时准确，在当时引起了人们极大关注。大约 1 0 年后，人们利用压电效应制造出了直线驱动装置和步进电机，并于1 9 7 0 - 1 9 7 2 年，由 专用超声波电机驱动电路研究 s i e m e n s 公司矛l l m a t s u s h i t a 公司研制出具有实际应用前景的压电超声波电机，但限于当时 的技术，它们研制的电机振子振幅太小，得不到大的扭矩，因此没得到推广应用。 1 9 7 8 年，前苏联的v a s i l i e v 成功地构造了一种能够驱动较大负载能力的超声波电机， 这种电机使用由两个金属块之间的压电元件所组成的超声换能器，将该换能器激振与转 子触的振动片的纵向振动，通过振子与转子之间的摩擦来驱动转子运动。 日本的t s a s h i d a 在v a s i l i e v 的研究基础上，在1 9 8 0 年提出并成功地设计出了驻波型的 压电超声波电机。该电机使用l a n g e v i n 振子，驱动频率为2 7 8 k h z ，输出功率为5 0 w ， 输出转矩为0 2 5 n m 。可以说s a s h i d a 研制的这台电机在性能上是第一次能够满足实际使 用的要求，但由于振动片于转子的接触是固定在一个位置上，存在接触面上摩擦磨损严 重的问题。为了解决这个问题，s a s i d a 又在1 9 8 2 年研制了一台行波型超声波电机，实现 了由驻波定点、定期推动转子变成由行波不断连续推动转子，大大地降低了定子与转子 间的摩擦与磨损。这种电机运动的机理就是定子表面质点形成的椭圆运动。 在s a s i d a 研制成功首台行波电机之后，日本掀起了研究压电电机的热潮，于1 9 8 7 年 推出了投放到商业应用的行波型超声波电机。此后许多种类的压电电机产品逐步出现并 被推向市场，其中最具代表行的是松下公司和新生公司( s h i n e s ) 生产的系列产品，图 1 4 是新生公司的推出的款q b 6 0 行波型超声波电机，图15 是日本佳能公司( c a n o n ) 应 用到其照相机调焦装置上的环形超声波电机结构图。表1 3 、表14 分别是新生公司和佳 能公司的系列产品的性能参数。 图1 4 新生公司u s r - 6 0 超声波电机 专用超声波电机驱动电路研究 图1 5 佳能公司用于相机调焦的环形超声波电机 表1 , 3 新生工业公司超声波电机 驱动频率驱动电压额定转矩额定转速 机械响应时间质量 型号 ( k i z )( v )( r r t y n( r r a i n )( m s )l g ) u s r 6 04 01 0 03 8 0i 0 0 l1 7 5 u s r 4 54 31 0 01 5 01 5 0 16 9 u s r 3 04 2 1 0 04 02 5 013 3 表1 4 佳能相机调焦用超声电机 外径、内径、 质量 驱动频率输入功率无载转速起动矩效率 型号 高( 1 1 1 l n )( g )( 1 d z ) ( w ) ( r r a i n ) ( n a n n ( o o ) 7 28 l 7 7 ，6 7 ，1 0 4 52 9l4 01 6 0 3 5 28 40 l 7 3 ，6 3 ，1 06 4 53 114 01 4 03 5 l0 l 7 7 ，6 7 ，1 1 2 4 02 9l4 01 6 03 5 进入9 0 年代后，随着科学技术的发展以及许多产品智能化、便携式和小微化的要求， 微型电机的发展受到广泛的重视，其应用范围也越来越广。压电电机以其结构简单、易 于小型化等优点尤其备受世界上不少国家的关注，加紧对超声波电机的研究，而且呈现 多元化趋势发展。目前已有直径仅为l m m 的微型超声波电机。日本处于超声波电机技术 的世界领先地位，它拥有大部分的压电超声波电机的专利。最近几年，美国和西欧各国 也正掀起压电超声波电机研究的热潮。尤其是美国，已有一批从事这方面研究的大学和 研究所，如麻省理工学院和宾西法尼亚州立大学等。 从超声波电机以上几个主要特点可以看出，超声波电机在小型化以及m e m s 技术相 结合组成多元系统上前景非常看好，虽然目前超声波电机还存在着诸如寿命短、理论分 析不充分、自律阻抗匹配以及测试仿真建模等技术和工程问题，但超声波电机优点突出， 专用超声波电机驱动电路研究 故发展十分迅速，愈来愈受到国内外的重视，目前国外已有部分产品得到开发和利用。 图1 6 是超声波电机用在美国宇航局火星探测车上的例子，其中超声波电机放在机器人的 关节部位。 我国是在上世纪8 0 年代中后期开始研究超声波电机的，现有大批高校和科研院所 从事压电超声波研究，如清华大学、浙江大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学等， 而且取得了一定的研究成果，有不少试验样机研制成功，图l7 、图1 8 分别是清华大学 研制出的中l 超声波电机和o3 0 行波超声波电机电机。 图1 6 超声波电机用于火星探测车 图1 7 清华大学研制的直径1 m m 压电马达图1 8 清华大学研制的直径3 0 压电马达 1 4 2 目前超声波电机研究主要存在的困难 超声波电机是功能陶瓷、超声振动与传播、摩擦驱动、精密加工、电力电子、弹性 力学、自动控制技术等多学科交叉的边缘学科，对超声波电机机理的研究涉及到众多的 理论知识，尽管目前已有各种各样的超声波电机研制成功，但有关超声波电机机理的探 讨仍处于许多困难之中，还没有形成一套有关电机设计和分析的标准。目前，超声波电 机研究所遇到的困难主要有以下几个方面： 专用超声波电机驱动电路研究 a 超声波电机的性能评估和测试较难，这主要包括电机的机械特性测试、电机的 瞬态特性测试和电机的寿命测试等。 b 超声波电机定转子接触面的微摩擦和微支撑的研究还没有成熟的理论。 c 超声波电机的重复精度和分辨率不高的问题有待进步解决。 d 由于超声波电机是容性负载，因此其阻抗匹配问题的解决好坏直接影响到电 机的性能发挥。 e 超声波电机的模型测试也是一个难题。 f 超声波电机的环境适应性的工程化问题需要进一步研究。 可以看出，超声波电机的研究还需很长的路要走。 1 4 3 超声波电机驱动控制技术原理 由于超声波电机的机理与传统电磁类电机有着本质的不同，所以针对其驱动控制电 路设计也提出了与传统电磁类电机有所不同的特殊要求。超声波电机驱动电路的设计合 理与否直接关系到超声波电机性能发挥的好坏。 超声波电机的驱动电路是建立在大功率半导体器件、开关逆变电路、高频脉冲变压 器等技术基础上进行设计的采用隔离型的半桥、全桥或推挽式的逆变电路。超声波电 机的控制主要基于超声波电机不同于传统电机的强烈非线性特点，并针对不同的用途而 采用相应的控制技术，比如可阱选择p d 控制、参数辨识、神经元网络控制等，目的都 在于解决超声波电机应用中遇到的诸如频率漂移、温度漂移、稳定速度以及电机输出力 矩的保持等问题。图1 9 是超声波电机驱动控制一般采用的电路原理框图。 图1 9 超声波电机驱动电路框图 专用超声波电机驱动电路研究 1 4 4 超声波电机驱动控制技术的发展 在超声波电机发展的二十余年里，人们一方面完善对超声波电机的机理的研究，另 一方面也在不断地对超声波电机的驱动电路的探索研究，特别是在超声波电机研究领域 处于领先地位的日本，在超声马达定位及速度跟踪控制方面作了大量的研究。1 9 8 6 年日 本学t h a t s u z a w a 系统地研究了环形行波型超声马达的速度控制特性，得到了超声马达速 度与驱动电压、驱动频率、相位差及正反转切换频率之间的关系，见图1 1 0 ，图l1 l 和 图1 1 2 。1 9 8 9 年，日本的k t a k a h a s h i 设计了具有温度补偿特性的电路。1 9 9 0 年y j i s l z u n o 等人实现了超声马达的负载自适应跟踪控制的两相谐振逆变器，次年实现了基于模糊推 理的高性能速度、位置控制方法。1 9 9 4 年分别进行了使用软件变增益p i 改进模糊控制器 的超声马达驱动伺服系统的定位控制的研究。1 9 9 1 年，a k a t o 等人实现了环形行波型超 声马达的柔顺控制，并于两年后实现了超声马达直接驱动机械臂的柔顺控制同年日本的 s m o r i m o t o 等人第一次把锁相稳速原理用于超声马达的控制。1 9 9 4 年r s e n j y u 等人实现 了自适应控制下的超声马达自适应速度控制，1 9 9 5 年实现了频率及相位差的混合控制的 超声马达精密定位控制。 近几年还出现了神经网络控制，或者采用神经网络自学习来调节模糊参数进行控制 的方案以及采用参数辨识的方法等等。这些方案由于整个控制机构很庞大，带有系列 的采集处理输出环节，所以离实用还有一定的距离。 _ + 塞 簋 鼋 罄 糕 挂 图1 1 0 频率与速度的关系 1 4 5 位置控制技术 图1 1 1 相位差与速度的关系图1 1 2 电压幅值比与速度的关系 在超声波电机位置定位控制方面，主要采用了以下几种方法：( 1 ) 软件定位的方法。 此方法采用单片机或d s p 芯片编程的方法实现对超声波电机的定位，简单易行，但是没 有充分考虑到超声波电机的强烈非线性，所以控制精度不是很高。( 2 ) 机械分布式触点 接触式定位方法。此方法对超声波电机的步进积累误差消除有一定的改善，但是可靠性 不高。( 3 ) 光电编码器或霍尔传感器定位的方法。较之机械触点接触式定位，该法在可 专用超声波电机驱动电路研究 靠性、精度方面都有所提高。综合( 2 ) 、( 3 ) ，如果只单纯地依赖中断反馈进行位置定 位，而不考虑超声波电机由于温度飘移等外部因素引起的超声波电机的非线性影响，也 不会收到良好的控制效果。( 4 ) 自校正方法。这种方法的实现是通过电机本身自校正设 计来完成的。由波与振动理论可知，振动的小颗粒停下来的平衡位置是波的波腹，利用 这个原理对定转子进行特殊的加工设计，可使得定转子会同时停在波腹的平衡位置，由 此对转子进行定位的。这种方法只是见到有关报到，而且电机设计理论复杂，离实用阶 段尚有很远距离。 综上，目前国内的研究多数是基于对国外技术的跟踪，做出的电机和控制电路多是试 验样品，在做成产品投入到实际应用中去的不多。所以寻求走出实验室到实际应用中去 的超声波电机和驱动控制电路是大家共同努力的方向。 虽然人类对超声波电机技术还处于多方探索阶段，鉴于超声波电机特有的优点和广 阔的应用前景，世界各国都在致力于对超声波电机技术的研究，特别是加强对高可靠性 精密控制的驱动电路的研制，使超声波电机在军事、航天、精仪等方面得以广泛应用。 1 4 6 驱动电路的设计提出的要求与思路 综合以上文献并根据超声波电机的特点，对超声波电机驱动电路的系统设计时，针 对超声波电机本身的特性，其驱动电路的设计要满足如下要求： a 两相高频交流输出，时间具有一定相移，电压等于超声波电机的额定电压，频 率略高于超声波电机的机械谐振频率，且连续可调； b 为满足超声波电机有很好的位置定位功能，要采用带有位置反馈的闭环控制； d 为提高电机和驱动器系统的效率，驱动器的阻抗最好和超声波的输入阻抗匹配； e 为减少无功交换的功率，提高功率因数，驱动器最好具有无功补偿措施。 超声波电机是一种正在受世界各国关注、研究的新型微特电机，与传统的微特电机 相比有很多优点，特别是其低速大力矩的特性越来越多地受n 4 , 型化控制系统的青睐。 但是，由于超声波电机是新发展起来的一门学科，所以有很多理论不尽完善，有许多东 西尚处在探索阶段。因此，我们对有关对超声波电机的研究( 包括驱动控制技术的研究) ， 一方面要加强理论的学习，不断地关注国内外这一领域的进展，积极同国内外有关研究 院所进行交流、协作；另一方面加快有自主技术的研究和开发。 1 5 选题背景及研究内容 1 5 1 选题背景及要求 本文开展的专用驱动电路研究是基于“小型专用行波超声波马达研究”的研制任务 而进行的。由于超声波马达具有机电一体化的特点，存在着机电耦合关系，因而在研究 专用超声波电机驱动电路研究 驱动控制电路时，必须了解和针对电机的要求和振型等技术状态设计，才能保证设计正 确、实用。 在本研究中，电机与驱动电路是同时展开的，因而作为电路设计的条件，电机应给 出相应的前提参数。专用行波型超声波电机主要参数如下： 电机体积：西1 2 m i n x 西1 5 r a m ： 输出力矩：1 0 r a n i i l ，效率为2 0 ： 电机特性：容性负载，供电电源为1 2 v 直流电源。 专用驱动电路的主要设计要求： 产生两路相差9 0 。、峰峰值i 0 0 v 以上、频率f 2 0 k h z ( 约为4 0 5 0 k h z ) 可调的驱 动信号； 控制器能够产生方波信号、锁相、移相等，同时能够控制电机启停、电机分时 工作、位置检测与归零单元的信号处理和外控信息处理等。 具有位置检测与归零单元，要求无接触式且要能确保从起始为0 。的电机转”疗 ( 0 = 4 5 。，n = 0 ，l ，2 n ) 的每个位置被检测，且使每个位置处的误差i a o i l 。，电机周 转一周的误差仍为l a 0 f l 。，即无积累误差。 生产两台样机，并与现有的行波电机进行工作配调，解决匹配问题。 1 5 2 主要研究内容 专用驱动电路的系统方案设计 逆变电路及变压器的设计 控制电路的设计 匹配技术研究 位置检测与归零技术 样机电路及调试 专用超声波电机驱动电路研究 第二章专用行波超声波电机驱动电路系统方案 2 1 系统组成与特点 2 1 1 系统组成 在1 4 节中已简单介绍了超声波电机驱动电路的基本构成( 见图1 9 ) ，通过对国内外 驱动技术资料的调研分析，结合我们的实际情况和要求，设计出如图2l 的专用驱动电路 方框图( 原理图) 。 本课题针对某专用超声波电机组设计的驱动控制电路有三部分组成，即：驱动、控 制和位置检测及归零。其中控制部分采用t i 控制功能最强、速度快的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 芯片作为驱动电路的核心控制芯片，由其负责驱电机驱动信号的产生和电机的分时 运行控制。功率驱动和升压部分采用推挽式逆变电路，同时还采用了非接触式脉冲输出 的位置归零控制的技术。 2 1 2 系统特点说明 图2 1 专用驱动电路原理图 去掉频率跟踪单元( 见图1 9 ) ，增加特殊的置检测与归零单元( 见图2 1 ) 。 没采用频率跟踪有两个原因，一是行波马达的振动模态主频带( 厂n ) 较宽且其它振 型模态的次谐频和主频相距较远，见图2 2 。 二是为了实现电路尽可能的小型化，因而在不影响工作的条件下去掉频率跟踪。但 位置检测与归零是本电机所必须具有的特殊要求。 专用超声波电机驱动电路研究 a 矗矗矗 图2 2 行波马达的模态 采用d s p 实现驱动与控制功能 采用d s p 实现驱动信号的产生、分频和移相功能，同时又利用d s p 实现电机的选择、 电机启停、位置检测与归零处理和外控特殊信号的解释和译码等任务，达到了整合信号、 提高精度及稳定性，有利于电路小型化。 2 2 系统各单元设计概述 2 2 。1 系统逆变电路 超声波电机是电压驱动型电机，电机的输出力矩与驱动电压成比例，目前中小型超 声波电机的驱动电压一般设计为是交流1 0 0 v ( 峰峰值) 以上( 超声波电机的驱动电压主 要由压电振子的极化电压决定，压电振子的驱动电压一般不超过其极化电压的1 4 ) ，而 传统的电磁电机是电流型驱动方式。因此，超声波电机的驱动首先要解决由供电的低直 流电压逆变升压成交流高电压信号，本设计驱动频率初设为4 0 k h z ，驱动交流电压信号 峰峰值为1 0 0 v ，且驱动频率可调。完成这一功能的电路是逆变升压电路，通常由功率驱 动和升压变压器组成。 在设计中有一点需要说明，超声波电机不需要产生正弦波( 或余弦波) 信号来直接 驱动，只要产生大小相等、相位相差9 0 。的方波信号驱动即可，因为在电源功率不大的 情况下，方波加在电机上由于电机容性负载必然把高次谐波滤掉，只剩下基频正弦波。 这样给驱动电路设计带来了便利。 2 2 2 控制技术 利用高性能单片机或d s p 实现硬件的软件化设计，完成传统超声波电机驱动控制电 路的压控振荡、相位锁定、调节频率等功能，特别是为系统提供“编码”、分时控制电机 组等提供方便。本设计d s p 采用德州仪器公司( t i ) 的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 并用c 语言编写 程序。 专用超声波电机驱动电路研究 2 2 3 位置检测与归零技术 超声波电机具有非线性特性，转速不一定恒定，在相同加电时间下可能步进的角度 0 有差别，即使这个差别a o 很小，但是电机运转n 步，便会产生n a o 的积累误差存在， 这与本专用小型超声波电机的工作要求是相违背的，所以在系统中必须有位置检测与归 零单元，以适应专用小型超声波电机的特殊要求。本设计为了消除位置检测对电机输出 力矩的影响，拟采用非接触式的位置检测传感器，同时为了保证检测精度，应采用编码 方法( 即数字方法) 来实现。 2 2 4 容性负载的匹配 超声波电机是个容性负载，这一点与传统的电磁电机呈感性的特性是大为不同的， 所以在驱动电路的设计中要考虑阻抗匹配的问题。无阻抗匹配或匹配不当，不仅影响超 声波电机的输出功率，而且严重影响其驱动电源的效率。 匹配分静态匹配和动态匹配之分，二者之间有较大的差异。静态匹配是指对压电振 子静态电容的匹配，使谐振频率工作点的电流和电压同相，减少电路中的无功损耗，充 分利用电源容量，提高输出效率，超声波电机的匹配一般是指的这种方式的匹配。 但是超声波电机随着负载、电机温度等因素变化的影响，会引起超声波电机等效电 路( 见匹配技术章节) 的动态支路参数发生相应的变化。因此，经静态匹配后的电路对 外也会呈现容性状态。如何解决超声波电机的动态匹配问题是一个难点，目前尚未见到 有关报道，尚需探索解决。 专用超声波电机驱动电路研究 第三章超声波电机逆变与升压变压器设计 超声波电机的逆变与升压电路主要完成的功能是：把来自波形发生器的具有定相 位差的驱动信号转变成能够驱动电机正常工作的数十伏到数百伏的交流驱动信号。它是 由逆变和升压两部分电路组成。 课题设计的逆变与升压电路的最后输出应满足：u 。= u 。咖耐和u ：= u 。c o s 0 ) t ，其中 ，= 昙在4 0 5 0 k h z ，u ，为1 0 0 1 5 0 v ( 峰峰值) ，后面接容性负载，估计要电源供电 电流约为0 3 o 4 a 。 3 1 推挽逆变器的结构分析 逆变器的种类很多，诸如：半桥式、全桥式、推挽式等变换形式，与半桥式、全桥 式逆变器相比，推挽式逆变器所用器件数目较少，电路驱动相对简单，因此在本课题设 计中采用推挽式逆变电路，其结构图如图31 ，工作原理波形如图3 2 。 0 2 坐_ j q 4 j 图3 1 推挽式逆变电路工作原理图 推挽式逆变电路工作原理是：由波形发生器输出v 1 、v 2 驱动控制信号，通过推挽 逆变电路，使得变压器t 1 的初级的上下两部分交替通断，把，( 1 0 v 直流电源) 逆变 成如图3 2 所示的交流电压信号u ，其中u ，= u 。s i n 耐：同理在对波形互为相反且分 别与v 1 和v 2 相位相差9 0 。的两路方波驱动控制信号v 3 、v 4 控制下，将在变压器t 2 的 副边产生电压信号u ，且u ，= u 。c o sc o t 。两相交变电压信号u ，和分别是加在电机 定子两组压电陶瓷振子上，则在电机定子上分别产生驻波振动，而在定子表面形成行波 专用超声波电机驱动电路研究 和椭圆运动( 见1 2 节) ，通过摩擦力作用使得转子产生相对定子的运动。这里具有相差 的驱动信号v 1 、v 2 、v 3 和v 4 是方波信号，即由d s p 产生的p w m 信号，其传递方框图 如图3 3 。 勿 ， 争 | 臼臼 - 图3 2 推挽式逆变器原理电路电流、电压波形 图3 , 3 超声波电机驱动信号传递框图 推挽式逆变电路的主要优点是导通路径上串联的开关管在任何瞬间只有一个工作， 两个开关管的驱动电路具有公共的地，其驱动电路简单。难以防止高频变压器的直流饱 和。同时也要注意在逆变过程中，两个开关不能同时接通，任何一个开关闭合的时间也 不能太长以避免出现电源“直流短路”现象。 3 2 开关管选用 由于超声波电机驱动信号频率比较高，因此选用的开关管应具有快速导通和关断特 性，同时应具有较低的开关损耗。可以选用功率m o s f e t 或晶体管作为开关管使用。 作开关管使用，m o s f e t 比晶体管具有优越的性能。首先，功率m o s f e t 是多数载流 子器件，不存在存储效应，没有存储时间。其次，功率m o s f e t 的栅极和源极之间有 氧化物层隔离，呈现出高的输入阻抗，通常直流输入电阻大于4 0 m o 。同时，m o s f e t 是电压驱动控制器件，而双极型晶体管是电流驱动控制器。因此，在本设计中选用取 公司生产的1 2 ：l f 3 2 0m o s f e t 。 专用超声波电机驱动电路研究 本课题驱动的专用超声波电机所需的开关管应满足以下条件： 开关频率： 6 0 k h z 以上( 因为工作频率在4 0 5 0 k h z 且考虑一定的裕量) ； 开关管的耐压：b v d s 3 v c c ，即大于3 0 v ( v c c = 1 0 v ) 。由推挽式逆