專利名稱：超聲波電機閉環(huán)控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波電機，尤其涉及超聲波電機的驅(qū)動控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲波電機是一種新型的微特電機，具有不同于傳統(tǒng)電機的工作原理與 結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)電機相比，超聲波電機具有結(jié)構(gòu)簡單，不需要線圈，重量輕， 形狀靈活，無噪聲，無磁場輻射干擾，功率質(zhì)量比大，微位移直接驅(qū)動等諸 多優(yōu)點，這些優(yōu)點使得超聲波電機在航空航天、精密加工設(shè)備、醫(yī)療儀器、 生物工程設(shè)備等高端運動控制領(lǐng)域及家用電器、汽車電子等普通運動控制領(lǐng) 域都有著廣泛的應(yīng)用前景。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的超聲波電機閉環(huán)控制電路的結(jié)構(gòu)框圖，圖中頻率控 制器(PI控制器)根據(jù)給定值和孤極電壓反饋值進行運算，從而對壓控振蕩
器(VC0)模塊輸出相應(yīng)的控制信號，VC0模塊輸出的是占空比為50。/。的方波， 頻率隨輸入VCO模塊的控制信號電壓值基本呈線性關(guān)系變化；兩相超聲波電 機需要兩相四路互差90°的方波控制信號來驅(qū)動，作為推挽式驅(qū)動電路的輸 入控制信號，上述VCO模塊輸出的是一路可調(diào)頻的方波信號，需要通過四分 頻電路來生成兩相四路互差90°的方波信號(兩相四路信號的相位關(guān)系變化 對應(yīng)于電機的正反轉(zhuǎn))，該四路方波信號經(jīng)過相應(yīng)基于P麗(脈沖寬度調(diào)制) 方法的占空比調(diào)節(jié)電路輸出占空比可調(diào)的同頻方波信號，再經(jīng)信號放大環(huán)節(jié) 放大以驅(qū)動推挽式電路中的開關(guān)器件動作，最后輸出適當(dāng)?shù)碾妷候?qū)動超聲波 電機旋轉(zhuǎn)。
超聲波電機運行過程中，其定子共振頻率(包含轉(zhuǎn)子的影響)會隨環(huán)境 參數(shù)的變化(主要是電機溫度的變化)而在小范圍內(nèi)漂移，如果驅(qū)動電壓頻
率固定，定子共振頻率的變化會直接導(dǎo)致定子表面質(zhì)點超聲振動狀態(tài)的改變， 進而引起電機運行狀態(tài)的變化，為了克服這一非線性影響，有必要采用頻率 跟蹤控制。
超聲波電機定子表面除A、 B兩相壓電陶瓷片之外，通常還粘有一片獨立 的壓電陶瓷片，稱之為"孤極"，電機運轉(zhuǎn)過程中，外加驅(qū)動電壓施加于A、 B 兩相壓電陶瓷片，由于逆壓電效應(yīng)，定子表面質(zhì)點產(chǎn)生超聲振動；同樣粘貼 于定子表面的孤極陶瓷片也會進行等幅同頻的受迫振動，這樣，由于壓電效 應(yīng)，孤極就會產(chǎn)生電壓輸出；孤極電壓反映了定子表面質(zhì)點的振動狀態(tài)，其 幅值反映了定子表面質(zhì)點的振幅。
利用孤極電壓作為反饋量，可以實現(xiàn)超聲波電機振幅的閉環(huán)控制；定子 共振頻率的漂移會導(dǎo)致超聲波電機振幅的改變，于是若振幅閉環(huán)控制變量選 為頻率，也就間接地實現(xiàn)了頻率跟蹤控制。
圖2是孤極電壓反饋信號處理電路與頻率控制器的連接電路圖，圖中運 算放大器U1A及其外圍阻容元件構(gòu)成頻率(PI)控制器，孤極電壓的反饋信 號(RAFB)先經(jīng)串聯(lián)的電阻Rl和電位器R2上半部分分壓，然后經(jīng)過二極管 Dl半波整流得到低壓直流信號，再送至并聯(lián)的電容Cl和電阻R4充放電電路 濾除高頻成分，最后送入運算放大器U1A的正輸入端，U1A的負(fù)輸入端連接給 定信號，給定信號是由調(diào)節(jié)電位器R14來設(shè)定的；給定信號也可以由外環(huán)控 制系統(tǒng)給出，以構(gòu)成速度控制系統(tǒng)。這里可近似的認(rèn)為電容C1端電壓的變化 反映了孤極反饋電壓幅值的變化。
圖2所示的電路可以實現(xiàn)超聲波電機振幅的閉環(huán)控制，但實驗表明，這 樣構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)存在正反轉(zhuǎn)不對稱問題，即對應(yīng)于相同的給定值(設(shè)定圖2 中電位器R14)，電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速不同，如圖3所示的電機轉(zhuǎn)速與給定 值關(guān)系曲線，在同樣的給定電壓值下電機的正轉(zhuǎn)速度和反轉(zhuǎn)速度不同，因此 電機的正轉(zhuǎn)曲線(CW)與反轉(zhuǎn)曲線(CCW)不重合，這一現(xiàn)象是由超聲波電機
的非線性造成的。
如果在上述電路基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制電路及轉(zhuǎn)速檢測裝置，將能夠 克服這一內(nèi)環(huán)非線性問題，但系統(tǒng)復(fù)雜性及成本必然增加，而且，這一問題 也將增加轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計難度，降低系統(tǒng)動態(tài)性能，在實際應(yīng)用中不實用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種簡單實用的解決現(xiàn)有技術(shù)中超聲波電機正反轉(zhuǎn) 不對稱問題的超聲波電機閉環(huán)控制電路。
一種超聲波電機閉環(huán)控制電路，是由頻率(PI)控制器根據(jù)給定信號和 電機孤極輸出的電壓反饋信號輸出一控制信號，壓控振蕩器接收該控制信號 輸出一頻率可調(diào)的方波信號，經(jīng)分頻電路分頻、占空比調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)相應(yīng)各
路占空比，再由信號放大電路放大后送入相應(yīng)A、 B相推挽電路驅(qū)動由超聲波 電機和串聯(lián)匹配電感構(gòu)成的諧振電路，驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)；所述頻率控制器包 括一運算放大器，其負(fù)輸入端輸入給定信號，孤極電壓反饋信號經(jīng)整流濾波 處理電路處理后輸入其正輸入端，其中所述整流濾波處理電路與頻率控制 器之間還設(shè)有一超聲波電機正反轉(zhuǎn)不對稱補償電路，所述補償電路包括一變 阻器，變阻器的可調(diào)端子連接整流濾波處理電路的輸出端， 一電源通過直流 偏置電阻串接變阻器的可調(diào)端子后接入頻率控制器中運算放大器的正輸入 端，變阻器的兩端各連接一選通支路，由電機正、反轉(zhuǎn)控制信號分別控制對 應(yīng)選通支路導(dǎo)通。
所述的超聲波電機閉環(huán)控制電路，其中所述選通支路是分壓電阻串接 一開關(guān)三極管的集電極，三極管發(fā)射極接地；電機正、反轉(zhuǎn)控制信號分別連 接相應(yīng)選通支路中開關(guān)三極管的基極。
一種超聲波電機閉環(huán)控制電路，是由頻率(PI)控制器根據(jù)給定信號和 電機孤極輸出的電壓反饋信號輸出一控制信號，壓控振蕩器接收該控制信號 輸出一頻率可調(diào)的方波信號，經(jīng)分頻電路分頻、占空比調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)相應(yīng)各
路占空比，再由信號放大電路放大后送入相應(yīng)A、 B相推挽電路驅(qū)動由超聲波 電機和串聯(lián)匹配電感構(gòu)成的諧振電路，驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)；所述頻率控制器包 括一運算放大器，其正輸入端輸入經(jīng)整流濾波處理電路處理后的孤極電壓反 饋信號，負(fù)輸入端接收給定信號；其中所述給定信號是經(jīng)一超聲波電機正 反轉(zhuǎn)不對稱補償電路處理后接入頻率控制器中運算放大器的負(fù)輸入端；所述 補償電路包括一變阻器，給定信號傳輸線路與一分壓電阻串接后連接變阻器 的可調(diào)端子，并一起接入運算放大器的負(fù)輸入端，變阻器的可調(diào)端子還通過 一直流偏置電阻接入電源；變阻器的兩端各連接一選通支路，由電機正、反 轉(zhuǎn)控制信號控制對應(yīng)選通支路導(dǎo)通。
所述的超聲波電機閉環(huán)控制電路，其中所述選通支路是分壓電阻串接 一開關(guān)三極管的集電極，三極管發(fā)射極接地；電機正、反轉(zhuǎn)控制信號分別連 接相應(yīng)選通支路中開關(guān)三極管的基極。
本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后將達(dá)到如下的技術(shù)效果
本發(fā)明的超聲波電機閉環(huán)控制電路，是在孤極電壓輸出端與頻率控制器 的運算放大器正輸入端之間或者給定信號與運算放大器負(fù)輸入端之間設(shè)置一 超聲波電機正反轉(zhuǎn)不對稱補償電路，根據(jù)頻率控制器的控制誤差=給定值_孤 極電壓反饋值，適當(dāng)調(diào)整反饋值或給定信號值，使電機正反轉(zhuǎn)時頻率控制器 的控制誤差盡量接近，從而改變頻率控制器的輸出頻率，在后續(xù)電路控制下 使超聲波電機正反轉(zhuǎn)時具有接近的轉(zhuǎn)速。所述補償電路是在一變阻器的兩端 各連接一選通支路，變阻器的可調(diào)端子連接整流濾波處理電路的輸出端，一 電源通過直流偏置電阻串接變阻器的可調(diào)端子再接入運算放大器的正輸入 端；選通支路的導(dǎo)通由電機正、反轉(zhuǎn)控制信號對應(yīng)控制；選通支路中分壓電 阻和開關(guān)三極管的集電極串接，三極管發(fā)射極接地，基極分別對應(yīng)連接電機 正、反轉(zhuǎn)控制信號，調(diào)節(jié)變阻器的可調(diào)端子，電源電壓經(jīng)直流偏置電阻和變 阻器相應(yīng)接通段及對應(yīng)選通支路分壓，可使輸入到頻率控制器中運算放大器
正或負(fù)輸入端的電壓相應(yīng)變化，運算放大器正輸入端孤極電壓反饋值或負(fù)輸
入端給定電壓值的變化將導(dǎo)致頻率控制器輸出的控制量VC0IN頻率變化，再 經(jīng)壓控振蕩器(VC0)等后續(xù)電路的作用，引起電機驅(qū)動頻率發(fā)生相應(yīng)變化， 因此影響電機正反轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速。因此通過以上簡單的方式，就實現(xiàn)了電機正 反轉(zhuǎn)時狀態(tài)基本一致，不對稱問題明顯改善。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中超聲波電機閉環(huán)控制電路的結(jié)構(gòu)圖； 圖2為圖1所示孤極電壓反饋信號處理電路與頻率控制器的具體連接電 路圖3為圖1所示電機轉(zhuǎn)速與給定值的關(guān)系曲線； 圖4為一種超聲波電機正反轉(zhuǎn)不對稱補償電路的電路圖； 圖5為具有正反轉(zhuǎn)不對稱補償電路的超聲波電機閉環(huán)控制電路結(jié)構(gòu)圖； 圖6為圖4所示電路控制下超聲波電機轉(zhuǎn)速與給定值的關(guān)系曲線； 圖7為另一種超聲波電機正反轉(zhuǎn)不對稱補償電路的電路圖。
具體實施例方式
一種超聲波電機閉環(huán)控制電路，如圖5所示，由頻率(PI)控制器根據(jù) 給定信號和孤極電壓的反饋信號輸出相應(yīng)控制信號，壓控振蕩器接收該控制 信號輸出一頻率可調(diào)的方波信號，經(jīng)分頻電路生成兩相四路互差90°的方波 信號，該四路信號再經(jīng)相應(yīng)基于P畫(脈沖寬度調(diào)制)方法的占空比調(diào)節(jié)電路 調(diào)節(jié)相應(yīng)占空比實現(xiàn)調(diào)幅，再由信號放大電路放大后送入相應(yīng)A、 B相推挽電 路驅(qū)動由超聲波電機和串聯(lián)匹配電感構(gòu)成的諧振電路，使電機正向或反向運 轉(zhuǎn)。
實施例1:
超聲波電機定子上設(shè)置的孤極壓電陶瓷片先經(jīng)反饋信號處理電路整流濾 波，再經(jīng)一正反轉(zhuǎn)補償電路處理，最后送入頻率控制器中；超聲波電機正反
轉(zhuǎn)不對稱補償電路的電路連接圖如圖4所示，頻率控制器中運算放大器U1A 的負(fù)輸入端通過分壓電阻R15串接電位器R14的可調(diào)端子，電位器R14的兩 端分別接入電源VCC與地之間，通過調(diào)整電位器R14來設(shè)定運算放大器U1A 的負(fù)輸入端的給定信號值；孤極電壓反饋信號RAFB經(jīng)串聯(lián)的電阻Rl和電位 器R2上半部分分壓后，送入二極管Dl半波整流得到低壓直流信號，該信號 再經(jīng)電容Cl和電阻R4并聯(lián)的充放電回路濾除高頻成分后送入補償電路。這 里可以近似認(rèn)為，電容C1端電壓(Vc)的變化反映了孤極反饋電壓幅值的變 化。
補償電路包括一電位器R7，其兩端分別連接一選通支路，可調(diào)端子通過 一電阻R5串接上述反饋信號整流濾波處理電路的輸出端，電源VCC通過一直 流偏置電阻R6串接電位器R7的可調(diào)端子后接入頻率控制器中運算放大器U1A 的正輸入端(3腳)；所述選通支路，接于電位器R7上端的支路中串接一分壓 電阻R8和一開關(guān)三極管Q1的集電極，開關(guān)三極管Ql的發(fā)射極接地，基極連 接電機正轉(zhuǎn)控制信號S0;接于電位器R7下端的支路中串接一分壓電阻R9和 一開關(guān)三極管Q2的集電極，開關(guān)三極管Q2的發(fā)射極接地，基極連接電機正 轉(zhuǎn)控制信號S1;電機正轉(zhuǎn)時，控制信號SO為高電平，Sl為低電平，Ql對地 導(dǎo)通，R8支路工作，同時Q2處于截止?fàn)顟B(tài)，R9支路不工作；電機反轉(zhuǎn)時， R9支路工作，而R8支路不工作；調(diào)節(jié)電位器R7的可調(diào)端子，可使電機正反 轉(zhuǎn)時，運算放大器U1A正輸入端的輸入電壓值不同；根據(jù)頻率控制器的控制 誤差=給定值-孤極電壓反饋值，適當(dāng)調(diào)整運算放大器U1A的正輸入端輸入電 壓值使電機正反轉(zhuǎn)時頻率控制器的控制誤差盡量接近，從而改變頻率控制器 的輸出頻率，在后續(xù)電路控制下使超聲波電機正反轉(zhuǎn)時具有接近的轉(zhuǎn)速。 本實施例中，三極管Q1、 Q2均采用2N2222A，各電阻的具體參數(shù)為 R5二20kQ， R6=510kQ, R7=10kQ電位器，調(diào)節(jié)后，該電位器上半部分電 阻為6.4kQ，下半部分電阻為3.6kQ, R8=R9=10kQ，通過上述調(diào)整的反饋
值，電機正反轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速與給定值的關(guān)系曲線如圖6所示，正反轉(zhuǎn)曲線CW、 CCW 基本一致，不對稱問題顯著改善。 實施例2:
本實施例的超聲波電機正反轉(zhuǎn)不對稱補償電路如圖7所示，超聲波電機 定子上設(shè)置的孤極壓電陶瓷片輸出電壓RAFB先經(jīng)反饋信號處理電路整流濾 波，然后送入頻率控制器中運算放大器U1A的正輸入端；反饋信號整流濾波 處理電路與實施例1中相同，這里不再贅述。
運算放大器負(fù)輸入端與設(shè)置給定信號的電位器R14的可調(diào)端子之間設(shè)置 正反轉(zhuǎn)補償電路，補償電路線路設(shè)置與實施例1相同，其中，不同的是將 電阻R5與設(shè)置給定信號的電位器R14的可調(diào)端子串接，電位器R7的可調(diào)端 子與運算放大器U1A負(fù)輸入端串連的電阻R15串接，本實施例的補償電路工 作原理與實施例1相同，也是根據(jù)頻率控制誤差等于給定值與反饋值之差， 不同的是為使誤差變化相同，需要將電位器R7的可調(diào)端子向與實施例1中所 述的相反方向調(diào)整。經(jīng)試驗，本實施例所提供補償電路也達(dá)到控制電機正反 轉(zhuǎn)狀態(tài)基本一致的目的。
權(quán)利要求
1、一種超聲波電機閉環(huán)控制電路，是由頻率(PI)控制器根據(jù)給定信號和電機孤極輸出的電壓反饋信號輸出一控制信號，壓控振蕩器接收該控制信號輸出一頻率可調(diào)的方波信號，經(jīng)分頻電路分頻、占空比調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)相應(yīng)各路占空比，再由信號放大電路放大后送入相應(yīng)A、B相推挽電路驅(qū)動由超聲波電機和串聯(lián)匹配電感構(gòu)成的諧振電路，驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)；所述頻率控制器包括一運算放大器，其負(fù)輸入端輸入給定信號，孤極電壓反饋信號經(jīng)整流濾波處理電路處理后輸入其正輸入端，其特征在于所述整流濾波處理電路與頻率控制器之間還設(shè)有一超聲波電機正反轉(zhuǎn)不對稱補償電路，所述補償電路包括一變阻器，變阻器的可調(diào)端子連接整流濾波處理電路的輸出端，一電源通過直流偏置電阻串接變阻器的可調(diào)端子后接入頻率控制器中運算放大器的正輸入端，變阻器的兩端各連接一選通支路，由電機正、反轉(zhuǎn)控制信號分別控制對應(yīng)選通支路導(dǎo)通。
2、 如權(quán)利要求l所述的超聲波電機閉環(huán)控制電路，其特征在于所述選通 支路是分壓電阻串接一開關(guān)三極管的集電極，三極管發(fā)射極接地；電機正、反 轉(zhuǎn)控制信號分別連接相應(yīng)選通支路中開關(guān)三極管的基極。
3、 一種超聲波電機閉環(huán)控制電路，是由頻率(PI)控制器根據(jù)給定信號和 電機孤極輸出的電壓反饋信號輸出一控制信號，壓控振蕩器接收該控制信號輸 出一頻率可調(diào)的方波信號，經(jīng)分頻電路分頻、占空比調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)相應(yīng)各路占 空比，再由信號放大電路放大后送入相應(yīng)A、 B相推挽電路驅(qū)動由超聲波電機和串聯(lián)匹配電感構(gòu)成的諧振電路，驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)；所述頻率控制器包括一運算 放大器，其正輸入端輸入經(jīng)整流濾波處理電路處理后的孤極電壓反饋信號，負(fù) 輸入端接收給定信號；其特征在于所述給定信號是經(jīng)一超聲波電機正反轉(zhuǎn)不 對稱補償電路處理后接入頻率控制器中運算放大器的負(fù)輸入端；所述補償電路 包括一變阻器，給定信號傳輸線路與一分壓電阻串接后連接變阻器的可調(diào)端子， 并一起接入運算放大器的負(fù)輸入端，變阻器的可調(diào)端子還通過一直流偏置電阻接入電源；變阻器的兩端各連接一選通支路，由電機正、反轉(zhuǎn)控制信號控制對 應(yīng)選通支路導(dǎo)通。
4、如權(quán)利要求3所述的超聲波電機閉環(huán)控制電路，其特征在于所述選通 支路是分壓電阻串接一開關(guān)三極管的集電極，三極管發(fā)射極接地；電機正、反 轉(zhuǎn)控制信號分別連接相應(yīng)選通支路中開關(guān)三極管的基極。
全文摘要
本發(fā)明的超聲波電機閉環(huán)控制電路，是在現(xiàn)有孤極電壓輸出端與頻率控制器之間設(shè)置一超聲波電機正反轉(zhuǎn)不對稱補償電路，根據(jù)頻率控制器的控制誤差＝給定值-孤極電壓反饋值，調(diào)整反饋值或給定信號值，使電機正反轉(zhuǎn)時頻率控制器的控制誤差盡量接近，從而改變頻率控制器的輸出頻率，在后續(xù)電路控制下使超聲波電機正反轉(zhuǎn)時具有接近的轉(zhuǎn)速。所述補償電路包括一兩端各連接一選通支路的變阻器，其可調(diào)端子連接整流濾波處理電路的輸出端，一電源通過直流偏置電阻串接變阻器的可調(diào)端子后接入運算放大器的正輸入端，通過電機正、反轉(zhuǎn)控制信號控制對應(yīng)選通支路導(dǎo)通分壓，由頻率控制器中的運算放大器運算輸出不同的信號值，控制頻率控制器輸出接近的控制信號。
文檔編號H02N2/10GK101106339SQ20071005457
公開日2008年1月16日 申請日期2007年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月18日
發(fā)明者侯義銘, 劉兆魁, 史敬灼, 周魯英, 肖雋亞 申請人:河南科技大學(xué)