小型化超聲波電動機驅動控制器設計
張華，曹祥紅
(1河南工業(yè)大學，河南鄭州450007；2鄭州輕工業(yè)學院，河南鄭州450002)
摘要：介紹了一種超聲波電動機驅動控制電路，該電路采用單片機對可調壓控振蕩器分頻的方法獲得了超聲波電動機工作所需的高頻驅動信號，具有控制精度高、輸出穩(wěn)定、便于小型化等優(yōu)點，測試結果表明驅動控制器性能穩(wěn)定，足以滿足較高精度的定位控制要求。
關鍵詞：超聲波電動機；小型化；驅動控制器
0引 言
超聲波電動機是一種全新概念的電機，它利用壓電陶瓷的逆壓電效應，使電能轉換成機械振動能量，然后通過摩擦耦合作用使電機定子的振動能量轉換成電機轉子的轉動能量輸出。超聲波電動機具有低速大轉矩、無電磁干擾、動作響應快、運行無噪聲、無輸入自鎖等優(yōu)點，在非連續(xù)運動領域、精密控制領域要比傳統電磁電機性能優(yōu)越。超聲波電動機在工業(yè)控制系統、汽車專用電器、精密儀器儀表、辦公自動化設備、智能機器人等領域有廣闊的應用前景，成為機電控制領域的一個研究熱點。
超聲波電動機是由高頻電壓驅動的，要發(fā)揮超聲波電動機出色的控制性能，離不開相應的驅動控制器，因此超聲波電動機驅動控制技術的研究越來越受到了國內外學者的重視。目前超聲波電動機常采用以下幾種控制方法：
(1)調壓控制是通過調節(jié)驅動信號的幅值來實現。
(2)調頻控制是通過調節(jié)驅動信號的頻率來實現。
(3)調相控制是通過調節(jié)驅動信號的相位差來實現。
在驅動控制方面國外已經成功地運用了模糊控制。自適應控制。、滑模控制。等復雜的控制理論。國內也有許多學者在超聲波電動機的快速響應和精確定位、模糊控制策略、遺傳算法的模糊自適應控制等方面做了深入的探索。這些方法大都采用Pc機或DsP直接控制驅動電路，可以達到較高的控制性能，但成本相對較高。控制器的制造成本在一定程度上限制了超聲波電動機在國內的推廣應用。
本文利用單片機代替Pc機或DsP，研制r小型化超聲波電動機驅動控制器，通過單片機控制驅動電路進行分頻控制，實現了所研制的柱體超聲波電動機的閉環(huán)定位控制，同時有效縮小了控制板面積并且降低了成本，有利于超聲波電動機的推廣應用。
l驅動控制系統
1 1驅動控制系統功能
超聲波電動機驅動頻率取決于定子的固有頻率。一般定子的固有頻率設計工作在超聲頻段，所以要求驅動電路能夠產生高頻驅動信號，同時主要達到以下幾方面的要求：
(1)輸出電壓的頻率在29～34 kHz范圍內可調；
(2)輸出兩相電壓的頻率一致，相差為90o；
(3)實現電機的開環(huán)正反轉控制；
(4)實現電機的開環(huán)正反轉步進控制；
(5)實現電機的閉環(huán)正反轉定位控制；
(6)PcB板設計盡可能小。
根據以上定位控制系統的要求，設計了系統原理框圖，如圖1所示。各部分電路實現的功能分配如下：
調頻電路實現電路振蕩頻率的調整，從而在cPu控制下實現輸出控制脈沖的頻率調整，保證輸出電壓的頻率在29～34 kHz可調；小鍵盤實現人機接口，通過按鍵組合實現電機的開環(huán)正反轉控制和起停控制；串行接口完成5V到RS232電平的轉換，實現單片機與主控計算機的通訊；光電編碼器將位置信號反饋給單片機，實現對電機轉子位置的閉環(huán)定位控制；驅動電路把cPu的TTL電平轉換為M0sFET的驅動電平，驅動功率管工作；AT89c205l作為驅動控制器的核心，負責整體的協調與控制。控制板采用了貼片器件和雙面布線，使得PcB板面積盡可能小。
1．2逆變主回路
超聲波電動機正常工作需要兩相相差為90o的高壓高頻驅動信號，這樣才能有效地激勵起兩相壓電陶瓷的振動，保證電機正常運行。目前獲得高壓交變信號常用的方法主要有兩種：一是使用變壓器升壓，利用電力電子技術將直流電逆變?yōu)榻涣餍盘杹眚寗与姍C，優(yōu)點是電路易于實現，成本相對較低；缺點是信號的諧波含量可能較大。二是直接對正弦信號進行放大升壓得到所需要的高頻正弦激勵，優(yōu)點是驅動信號波形為正弦型，諧波含量非常低，但控制電路復雜、成本較高。常用的變壓器升壓開關逆變型基本驅動電路如圖2所示。
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