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文章標題：圓柱形多自由度超聲波電動機驅動電路的研究

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作者：ilovewhat 發(fā)表時間：2010-1-26 21:44:03

                                                                          圓柱形多自由度超聲波電動機驅動電路的研究

    摘要：根據(jù)圓柱形多自由度超聲波電動機的工作原理、特點，提出了驅動電路的設計要求。根據(jù)此要求提出了一種驅動電路的設計方案，并分析了其原理和特性。針對該設計方案存在的不足，列驅動電路進行了改進，較好地滿足了電機驅動和控制的要求。
    關鍵詞：多目由度；超聲波電動機；驅動；控制；電路
O引言
    超聲波電動機的驅動技術伴隨著超聲波電動機的產(chǎn)生、發(fā)展而同步發(fā)展。超聲波電動機的工作原理與傳統(tǒng)的電磁電動機不同，其驅動的方法也不同。因此，對超聲波電動機驅動技術的研究，既要借鑒電磁電機的方法，更要考慮超聲波電動機本身的特點。在單自由度超聲波電動機的驅動方而國內同行已經(jīng)做了大量的、卓有成效的研究工作Il。J。而對多自由度超聲波電動機驅動技術的研究起步相對較晚。本文以自行研制的圓柱形多自由度超聲波電動機為對象，研究超聲波電動機的驅動電路，為該種電機的驅動和控制打F基礎。
1驅動電路的要求
    圓柱形多自南度超聲波電動機的結構和[作原理如圖1所示。在三組壓電陶瓷元件PzT爿、B、c上分別施加合適的交流電壓時，可以激發(fā)出定子的三個工作模態(tài)：兩個二階彎振模態(tài)和一個一階縱振模態(tài)。當兩個彎振(在時間、空間相位上均相差90。)合成時，就可以在定子的驅動端面(頭部)產(chǎn)生橢圓運動，進而依靠定、轉子之間的摩擦，驅使轉子繞：軸轉動；同理，當一個彎振與“個縱振(在時間、空間相位卜亦均相差90。)合成時，就會驅使轉予繞x或y軸轉一動。
    一般情況下，超聲波電動機是依靠超聲頻段的簡諧信號來激勵、驅動的，可以通過調節(jié)其激勵信號的相位、頻率和幅值之一來改變其運動狀態(tài)。幽此，從超聲波電動機運動控制的角度來講，有三種基本控制方法：相位差控制、頻率控制和電壓幅值控制。相位差控制的優(yōu)點是能以平滑的
速度變化實現(xiàn)正反轉，某些情況下有助于提高速度分辨率，缺點是具有強的非線性。從硬件角度講，相位差控制需要專門的相位調制電路，具有相調節(jié)功能的兩路信號發(fā)生器比其它控制方法復雜得多。頻率控制由于容易實現(xiàn)、能夠覆蓋整個速度范圍，被廣泛應用于行波型超聲波電動機的控制。但由于這種方法不允許獨立地改變三個振動模態(tài)的激勵頻率，因而不能獨立地實現(xiàn)對三個方向轉速的控制，所以頻率控制不適于多自由度超聲波電動機。電壓控制是通過改變激勵電壓的幅值來改變振動的振幅，進而改變電機轉速的控制方法。電壓控制呈現(xiàn)良好的線性性質，能取得良好的控制效果。即使采用經(jīng)典的控制器，如PID控制器，具有較好的魯棒性。因此本文將從調節(jié)電壓幅值角度，設計和分析多自由度超聲波電動機的驅動電路。

圖1電機的結構組成和工作原理

根據(jù)圓柱形多自由度超聲波電動機的工作原理、特點及其電壓幅值控制的需要，其驅動電路(亦稱驅動電源)應滿足如下要求：1)能提供滿足電機工作頻率要求的三路高頻驅動信號；2)能獨立地調節(jié)三路驅動信號的電壓幅值；3)能獨立地實現(xiàn)三個自由度運動的啟動、停止和正反轉；4)三路驅動信號之間相位差能保持同相、反相或正交(90。或270。)；5)能與電機匹配，以提高驅動效率。
2驅動電路及其特性
按照圓柱形多自由度超聲波電動機驅動電路的上述要求，曾設計和試制了一種驅動電路，其原理如圖2所示。這是一個多自由度超聲波電動機調壓控制電路，由三個相同的電路模塊組成三

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