專利名稱：一種超聲波電機控制電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及超聲波電機，尤其涉及超聲波電機的驅動控制技術領域。
背景技術：
超聲波電機是ー種新型的運動控制執行元件，具有不同于傳統電機的工作原理與結構。傳統電機是利用磁場カ推動轉子或動子運動的，超聲波電機則是利用壓電材料的壓電效應，靠摩擦力推動轉子或動子運動的。與傳統電機相比，超聲波電機有結構 簡單，不需要線圈，重量輕，驅動部件形狀靈活，無噪聲，無磁場輻射干擾，功率質量比大，微位移直接驅動等諸多優點。這些優點使得超聲波電機在航空航天、機器人、精密加工設備、醫療儀器、生物工程設備等高端運動控制領域及家用電器、汽車電子等普通運動控制領域都有著廣泛的應用前景。超聲波電機是基于壓電陶瓷材料的逆壓電效應進行工作的。外加高頻高壓驅動信號作用于粘貼于定子上的壓電陶瓷片，使其表面質點產生橢圓旋轉運動，該運動經過定子齒槽機械構件的放大，驅動轉子旋轉。超聲波電機對其外加驅動信號的頻率、幅值均有特定的要求。超聲波電機的驅動電壓范圍一般為150-1000V(峰峰值)，具體數值主要取決于壓電陶瓷片的性能要求。驅動電壓過高會損壞壓電陶瓷片；驅動電壓過低，壓電陶瓷片振幅太小，超聲波電機不能正常エ作。超聲波電機驅動頻率一般為20-100kHz。如果外加驅動信號的頻率與超聲波電機定子的共振頻率(包括轉子的影響)相一致，則能夠獲得較大的振幅，對應于電機有較大輸出功率；但輸入電流過大，則效率下降，轉子的運動也不穩定。實際的驅動頻率設定在具有最佳工作狀態的頻率點上，且這個頻率會隨電機溫度等運行參數的變化而在小范圍內漂移。不同的超聲波電機具有不同的驅動電壓工作范圍和最佳工作頻率。因而，超聲波電機驅動電路不僅要能夠輸出高頻高壓信號，而且其頻率、幅值都應該是可調的。另外，對于常用的兩相行波超聲波電機，兩相輸出信號之間的相位差與超聲波電機定子表面質點的橢圓運動模式直接相關。調節這個相位差能夠改變電機輸出轉矩，進而達到控制電機轉速的目的。這使得兩相輸出信號之間的相位差成為超聲波電機控制系統中ー個重要的可控變量。為了實現對相位差的控制，驅動控制電路應具有輸出相位差調節功倉^:。
綜上所述，為使超聲波電機正常工作并實現高性能的控制，對其驅動控制電路的基本要求是I)輸出高頻高壓驅動信號；2)輸出信號頻率可調；3)輸出電壓幅值可調；4)兩相輸出信號之間的相位差可調。
申請號為201010286489. 5,201010286490. 8,200710054583. 6 等相關專利文件都
對超聲波電機及其驅動控制有相關介紹，此處不再過多敘述。目前，超聲波電機驅動控制電路結構較為復雜，一定程度上限制了其エ業化應用。特別是設計串聯匹配電感時，難以保證超聲波電機端電壓達到需要的幅值。

發明內容
本發明的目的是提供一種超聲波電機控制電路，用以解決LC諧振電路升壓不足的問題，另外為了進一歩完善控制電路，本發明還提出了輸出驅動信號的頻率、幅值、相位均可調，可作為ー種通用驅動電路應用于不同需求場合的全功能型的超聲波電機低成本驅 動控制電路。為實現上述目的，本發明的方案是一種超聲波電機控制電路，包括PWM信號發生器和驅動超聲波電機的A、B兩相橋式驅動電路，PWM信號發生器產生的PWM信號分別驅動所述A、B兩相橋式驅動電路的開關管，A、B兩相橋式驅動電路的交流側均串設有串聯匹配電感，所述A、B兩相橋式驅動電路分別設置有用于調節對應相橋式驅動電路直流母線電壓的Boost升壓電路。所述A、B兩相橋式驅動電路均為半橋電路。所述A、B兩相橋式驅動電路的開關管為M0SFET。所述PWM信號發生器輸出的A、B兩相PWM信號分別連接A、B相調相電路。所述A、B相調相電路均包括一條串聯電阻支路和ー個接地電容(CS)，接地電容(CS)連接串聯電阻支路的一端，該端為對應相調相電路的輸出端，串聯電阻支路的另一端為對應相調相電路的輸入端，所述輸入端與輸出端之間反向連接有一個放電ニ極管(D3)。所述A、B相調相電路連接均連接二分頻電路，經二分頻后產生的兩相四路互差90°的用于驅動半橋驅動電路開關管的PWM控制信號。ー相調相電路包括第一 D觸發器，第一 D觸發器的輸入端連接其反向輸出端；另ー相調相電路包括另第二 D觸發器，第二 D觸發器的輸入端通過選擇開關連接第一 D觸發器的正向輸出端或反向輸出端。所述選擇開關為撥碼開關。A、B相是指A相和B相，如調相電路和驅動電路等。橋式驅動電路(開關器件采用M0SFET)將直流電壓轉換為高頻方波驅動電壓，施加于由串聯匹配電感與超聲波電機中的容性壓電陶瓷片構成的LC諧振電路。串聯匹配電感可以有效地濾除方波驅動電壓中的高頻諧波成分，實現近似的正弦波驅動。這里，串聯匹配電感值的設計可以有兩種不同的方法。一是以提高超聲波電機端電壓為目的，設計串聯匹配電感值，使得LC電路在超聲波電機工作頻率發生諧振。即電感L取值為
r IL = n r
(2ザ)-C⑴式中，f為超聲波電機工作頻率，C為超聲波電機ー相的等效電容。通常超聲波電機工作頻率都不是ー個確定的值，而是在靠近超聲波電機機械共振頻率的一個小范圍內變化的；用來計算電感值的工作頻率數值，可取為超聲波電機機械共振頻率值。分析LC諧振電路可知，當LC電路工作在其諧振頻率時，超聲波電機(容性)端電壓并非其可能達到的最大值；該最大值出現在略低于諧振頻率的工作點。所以，為了充分利用LC諧振的升壓作用提高超聲波電機端電壓，可以取電感為小于式⑴計算值的某一數值，具體數值取決于電機、電感參數及其分布參數。采用上述方法設計串聯匹配電感值，將使得LC電路工作在其諧振狀態附近。超聲波電機兩相的等效電容不會完全一致；而串聯匹配電感的繞制也存在許多非理想因素，使得實際電感值與計算值(期望值)有差別；工作過程中，電機等效電容和匹配電感的大小也會隨環境因素發生變化。這些原因使得兩相LC電路的工作狀態不一致，導致超聲波電機兩相端電壓幅值不一致。同吋，LC電路的作用，使電機端電壓的相位與施加于LC電路兩端的驅動電壓相位不一致，即存在相移。而兩相LC電路的工作狀態不一致，在導致超聲波電機兩相端電壓幅值不一致的同時，也會導致兩相相移不一致，使得電機端實際驅動電壓的相位差與期望值不同。幅值偏差，尤其是相位偏差，増加了超聲波電機控制系統前向通道中的控制非線 性，使得控制進一步復雜化。如果是采用手動調節，這些非線性因素也會増加調節難度。為了避免上述問題，串聯匹配電感值的設計可以采用另ー種方法。分析LC諧振電路的幅頻、相頻特性可知，在LC電路諧振頻率附近，其幅值和相移的變化率大。而在偏離諧振頻率較遠的區域，其幅值和相移的變化率要小得多。如果設計串聯匹配電感的取值，使得LC電路工作在偏離其諧振狀態較遠的區域，那么，即使兩相LC電路的諧振頻率不同、工作狀態不一致，所導致的兩相端電壓幅值、相位偏差也會小得多。通常，這樣的電感值可以通過下式計算得到[2^.(0.9/)]2.C(2)采用上述方法設計串聯匹配電感值，將使得LC電路工作在偏離其諧振狀態的エ作區域。由此帶來的ー個問題是，LC電路的升壓作用將明顯減弱。不論采用上述兩種方法中的哪ー種來設計串聯匹配電感，都不足以保證超聲波電機端電壓達到需要的幅值。這ー方面是由于電機、電感的分布參數使得LC電路的品質因數不會很高，LC諧振升壓作用有限；另一方面是由于超聲波電機驅動電路輸入電壓通常為直流低壓，例如本發明所述電路的輸入電源電壓為12VDC，以要求驅動電壓峰峰值600V的超聲波電機為例，其升壓比要達到50。由于上述兩方面的原因，僅由LC諧振電路升壓，通常不能保證輸出足夠幅值的驅動電壓。因此，本發明所提電路設計中加入了 Boost斬波電路，一方面，彌補LC電路升壓的不足，保證超聲波電機的正常運行。另ー方面，可以實現幅值調節。如圖I所示，驅動電路中包含兩個Boost斬波電路單元，分別供給A、B兩相驅動電壓，以提高控制靈活性。


圖I是實施例2超聲波電機控制電路結構框圖；圖2是Boost電路圖；圖3是PWM發生器電路；圖4是A相分頻電路；圖5是分頻電路時序 圖6是B相分頻電路；圖7是PWM信號實測波形圖；圖8是A相調相電路；圖9是相位調節信號實測波形圖；圖10是LC驅動電路圖；圖11是A相Boost斬波輸出電壓波形與A、B相驅動電壓波形圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進ー步詳細的說明。實施例I如圖2所示為本發明的超聲波電機控制電路的Boost升壓電路。超聲波電機控制電路如現有技術中，包括PWM信號發生器和驅動超聲波電機的A、B兩相橋式驅動電路，PWM信號發生器產生的PWM信號分別驅動所述A、B兩相橋式驅動電路的開關管，A、B兩相橋式驅動電路的交流側均串設有串聯匹配電感，Boost升壓電路分為A、B兩相，輸出端分別作為A、B相橋式驅動電路的直流母線電壓，如圖所述VCCPl為A相直流母線電壓。如圖2，由通用PWM發生器芯片TL494給出頻率固定、脈寬可調的PWM驅動信號，經專用MOSFET驅動芯片IR4427放大，驅動Boost電路中的MOSFET工作，將輸入電源電壓VCC提升為VCCP (VCCP表示A、B相的直流母線電壓；以下各圖的標注中，VCCPl對應A相，VCCP2對應B相)。對于小功率應用場合，由于MOSFET開關電壓與電流均較小，MOSFET可以直接由TL494輸出驅動，或用三極管推挽驅動，不需要專門的驅動芯片。Boost斬波電路中，PWM驅動信號脈寬設置為電位器手動調節(圖2中電阻Rl)，這樣可以使該電路適合于不同超聲波電機的實驗研究。如果超聲波電機固定，Boost電路輸出電壓幅值也就可以確定，可以由Boost電路輸出端電壓VCCPl引回反饋信號，通過電阻連接到圖2中U1(TL494)的腳1IN+、1IN-或2IN+、2IN-，構成閉環結構，可以實現輸出電壓VCCPl的閉環自動控制，而不需手動調節。Boost斬波電路的輸出電壓VCCP做為直流母線電壓，直接作用于LC諧振電路中的MOSFET。實施例2本實施例提出了一種全功能型的超聲波電機低成本驅動控制電路，該電路輸出驅動信號的頻率、幅值、相位均可調，可作為ー種通用驅動電路應用于不同需求場合。下面給出了電路結構，分析了工作原理，并進行了實驗驗證，效果良好。圖I所示為本實施例超聲波電機驅動控制電路的基本結構框圖。該控制電路也包括Boost升壓部分(關于此部分，不再過多敘述)。Boost斬波電路的輸出電壓VCCP (以下各圖的標注中，VCCPl對應A相，VCCP2對應B相)做為直流母線電壓，直接作用于LC諧振電路中的MOSFET(參見下文圖10)，用來提高電機端電壓值。電路其它部分的電源仍為輸入電源電壓VCC，與VCCP無關。對于兩相行波超聲波電機，圖I中的PWM發生單元產生兩路互差90度的PWM信號，經相位調節、分頻等環節，生成兩相四路PWM控制信號，再經信號放大環節驅動開關器件動作。
圖3給出了驅動電路中PWM發生單元的原理圖，由TL494實現。TL494的工作頻率可由下式近似確定fosc (M1 + M2).C7)圖3中，Rll為可調的電位器。由式(3)可知，調節Rll可使TL494輸出適當頻率的PWM信號。圖3所示電路中，TL494輸出信號的脈寬設定為最大值。兩相超聲波電機的驅動需要兩相四路互差90°的PWM控制信號，上述圖3電路輸出的是兩路互差180°的PWM信號，這兩路信號需要分別通過二分頻電路來生成兩相四路互差90°的PWM信號。二分頻電路是ー種基本數字電路，通常由D觸發器構成。圖4給出了一相(A相)PWM信號的二分頻電路原理圖。圖中芯片⑶4013為雙上升沿D觸發器。
圖5給出了兩相分頻電路的時序圖。由圖5可以看出，二分頻電路輸出信號的占空比固定為50 %，頻率為TL494輸出信號頻率的1/2。調節圖3中的RlI，就可以調節PWM控制信號的頻率。對于不同的超聲波電機，可以選擇合適的R、C(圖3中的R11、R12和C7)數值使頻率可調范圍與超聲波電機的需求相適應。如果B相PWM信號的二分頻電路同樣采用圖4所示結構，則A、B兩相二分頻電路互相獨立。考慮電路上電開始工作時刻的電路狀態。此時，兩個D觸發器的輸出狀態都不確定，輸出Q可能是高電平，也可能是低電平。而且，此時圖3所示PWM發生單元中TL494給出的兩路P麗控制信號的先后次序也不確定，可能是PWMl在先，也可能是PWM2在先。分析圖5可知，由此將導致兩相分頻電路輸出的兩相PWM控制信號的相位關系不確定。一次上電得到的是PWMAl超前PWMBl信號90° (如圖5所示)，下一次上電就可能是PWMAl滯后PWMBl信號90。。PWMAl與PWMBl信號之間的超前、滯后關系，對應于電機的正轉或反轉。它們之間的相位關系不確定，也就意味著毎次驅動電路上電后，電機的轉向不確定。這樣的驅動電路是沒有實用價值的。為解決這ー問題，必須在A、B兩相二分頻電路之間建立聯系，形成約束關系。圖6給出了 B相PWM信號的分頻電路原理圖。圖中分頻D觸發器的輸入D信號不是來自于其反向輸出，而是來自于A相分頻D觸發器的輸出信號PWMA1、PWMA2。當PWMAl作為B相分頻D觸發器的輸入D信號，將保證PWMAl超前PWMBl信號，如圖7實測波形所示，對應于電機正轉；當PWMA2作為B相的D信號，則使PWMAl滯后PWMBl信號，對應于電機反轉。PWMAl和PWMA2之間的選擇，亦即電機正反轉的控制，由圖6所示的撥碼開關S2實現。前面已經分析了 PWM發生單元和分頻電路。由上述分析可知，分頻電路給出的兩相PWM信號之間的相位差可以是+或-90°，不能任意調節。為了實現對相位差的調節，在PWM發生單元與分頻電路之間，加入了圖8所示的調相環節。圖8所示為A相的調相電路，B相與之完全相同。相位調節是通過RC電路實現的。如圖8為A相的調相電路(B相相同)，R15、R16與C8構成RC充電回路，當PWM發生單元的輸出信號PWMl為高電平時，對C8充電，PWMlI信號幅值逐漸上升。當PWMl躍變為低電平時，C8通過ニ極管D3快速放電，PWMll信號幅值迅速下降。這樣反復進行充放電，得到的PWMll信號為圖9所示的準鋸齒波。該信號連接到圖4所示分頻電路，作為D觸發器的時鐘輸入；因為只有當輸入信號幅值高于某一特定值時，才會被認為是高電平，所以圖8電路的作用就是將PWMl信號的上升沿后移了一定角度。調節電位器R16，可以改變電容充電速率，亦即可以調節相位。分頻電路給出的兩相四路PWM控制信號，經信號放大環節驅動開關器件動作，輸出適當的電壓驅動超聲波電機旋轉。圖10給出了兩相LC驅動電路的原理圖。LC諧振電路是ー種基本的電路形式,其工作原理不再詳述。圖10中MOSFET的驅動使用了專用驅動芯片IR2110。上述設計已成功應用于超聲波電機驅動控制，圖11給出了超聲波電機驅動電壓實測波形。使用該電路可以對超聲波電機的開環、閉環控制進行研究。實踐證明，該設計實現方便，性能可靠。 本發明針對超聲波電機エ業化規模應用的需求，提出了一種全功能型的超聲波電機低成本驅動控制電路，該電路輸出驅動信號的頻率、幅值、相位均可調，可作為ー種通用驅動電路應用于不同需求場合。
權利要求
1.一種超聲波電機控制電路,包括PWM信號發生器和驅動超聲波電機的A、B兩相橋式驅動電路，PWM信號發生器產生的PWM信號分別驅動所述A、B兩相橋式驅動電路的開關管，A、B兩相橋式驅動電路的交流側均串設有串聯匹配電感，其特征在于，所述A、B兩相橋式驅動電路分別設置有用于調節對應相橋式驅動電路直流母線電壓的Boost升壓電路。
2.根據權利要求I所述的ー種超聲波電機控制電路，其特征在于，所述A、B兩相橋式驅動電路均為半橋電路。
3.根據權利要求I所述的ー種超聲波電機控制電路，其特征在于，所述A、B兩相橋式驅動電路的開關管為M0SFET。
4.根據權利要求2所述的ー種超聲波電機控制電路，其特征在于，所述PWM信號發生器輸出的A、B兩相PWM信號分別連接A、B相調相電路。
5.根據權利要求4所述的ー種超聲波電機控制電路，其特征在于，所述A、B相調相電路均包括一條串聯電阻支路和ー個接地電容(C8 )，接地電容(C8 )連接串聯電阻支路的一端，該端為對應相調相電路的輸出端，串聯電阻支路的另一端為對應相調相電路的輸入端，所述輸入端與輸出端之間反向連接有一個放電ニ極管(D3)。
6.根據權利要求4所述的ー種超聲波電機控制電路，其特征在于，所述A、B相調相電路連接均連接二分頻電路，經二分頻后產生的兩相四路互差90°的用于驅動半橋驅動電路開關管的PWM控制信號。
7.根據權利要求6所述的ー種超聲波電機控制電路，其特征在于，一相調相電路包括第一 D觸發器，第一 D觸發器的輸入端連接其反向輸出端；另一相調相電路包括另第二 D觸發器，第二D觸發器的輸入端通過選擇開關連接第一D觸發器的正向輸出端或反向輸出端。
8.根據權利要求7所述的ー種超聲波電機控制電路，其特征在于，所述選擇開關為撥碼開關。
全文摘要
本發明涉及一種超聲波電機控制電路，包括PWM信號發生器和驅動超聲波電機的A、B兩相橋式驅動電路，PWM信號發生器產生的PWM信號分別驅動所述A、B兩相橋式驅動電路的開關管，A、B兩相橋式驅動電路的交流側均串設有串聯匹配電感，所述A、B兩相橋式驅動電路分別設置有用于調節對應相橋式驅動電路直流母線電壓的Boost升壓電路。本發明能夠解決LC諧振電路升壓不足的問題。
文檔編號H02N2/14GK102694482SQ20121000734
公開日2012年9月26日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者劉博 , 劉玉, 史敬灼, 沈曉茜, 馬秋杰 申請人:河南科技大學