小型化超聲波電動機驅(qū)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(qū)動控制電路，該電路采用單片機對可調(diào)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(qū)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(jié)果表明驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動能量輸出。超聲波電動機具有低速大轉(zhuǎn)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(tǒng)電磁電機性能優(yōu)越。超聲波電動機在工業(yè)控制系統(tǒng)、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(qū)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(qū)動控制器，因此超聲波電動機驅(qū)動控制技術的研究越來越受到了國內(nèi)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(diào)壓控制是通過調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的幅值來實現(xiàn)。
(2)調(diào)頻控制是通過調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的頻率來實現(xiàn)。
(3)調(diào)相控制是通過調(diào)節(jié)驅(qū)動信號的相位差來實現(xiàn)。
在驅(qū)動控制方面國外已經(jīng)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(nèi)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(qū)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(nèi)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(qū)動控制器，通過單片機控制驅(qū)動電路進行分頻控制，實現(xiàn)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(qū)動控制系統(tǒng)
1 1驅(qū)動控制系統(tǒng)功能
超聲波電動機驅(qū)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(qū)動電路能夠產(chǎn)生高頻驅(qū)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(nèi)可調(diào)；
(2)輸出兩相電壓的頻率一致，相差為90o；
(3)實現(xiàn)電機的開環(huán)正反轉(zhuǎn)控制；
(4)實現(xiàn)電機的開環(huán)正反轉(zhuǎn)步進控制；
(5)實現(xiàn)電機的閉環(huán)正反轉(zhuǎn)定位控制；
(6)PcB板設計盡可能小。
根據(jù)以上定位控制系統(tǒng)的要求，設計了系統(tǒng)原理框圖，如圖1所示。各部分電路實現(xiàn)的功能分配如下：
調(diào)頻電路實現(xiàn)電路振蕩頻率的調(diào)整，從而在cPu控制下實現(xiàn)輸出控制脈沖的頻率調(diào)整，保證輸出電壓的頻率在29～34 kHz可調(diào)；小鍵盤實現(xiàn)人機接口，通過按鍵組合實現(xiàn)電機的開環(huán)正反轉(zhuǎn)控制和起停控制；串行接口完成5V到RS232電平的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)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(xiàn)對電機轉(zhuǎn)子位置的閉環(huán)定位控制；驅(qū)動電路把cPu的TTL電平轉(zhuǎn)換為M0sFET的驅(qū)動電平，驅(qū)動功率管工作；AT89c205l作為驅(qū)動控制器的核心，負責整體的協(xié)調(diào)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(qū)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?qū)動電機，優(yōu)點是電路易于實現(xiàn)，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(qū)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(qū)動電路如圖2所示。
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