專利名稱：超聲波電機閉環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：
超聲波電機是一種新型的微特電機，具有不同于傳統電機的工作原理與 結構，與傳統電機相比，超聲波電機具有結構簡單，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、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。
圖1為現有技術中的超聲波電機閉環控制電路的結構框圖，圖中頻率控 制器(PI控制器)根據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動，作為推挽式驅動電路的輸 入控制信號，上述VCO模塊輸出的是一路可調頻的方波信號，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系變化 對應于電機的正反轉)，該四路方波信號經過相應基于P麗(脈沖寬度調制) 方法的占空比調節電路輸出占空比可調的同頻方波信號，再經信號放大環節 放大以驅動推挽式電路中的開關器件動作，最后輸出適當的電壓驅動超聲波 電機旋轉。
超聲波電機運行過程中，其定子共振頻率(包含轉子的影響)會隨環境 參數的變化(主要是電機溫度的變化)而在小范圍內漂移，如果驅動電壓頻
率固定，定子共振頻率的變化會直接導致定子表面質點超聲振動狀態的改變， 進而引起電機運行狀態的變化，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"，電機運轉過程中，外加驅動電壓施加于A、 B 兩相壓電陶瓷片，由于逆壓電效應，定子表面質點產生超聲振動；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，孤極就會產生電壓輸出；孤極電壓反映了定子表面質點的振動狀態，其 幅值反映了定子表面質點的振幅。
利用孤極電壓作為反饋量，可以實現超聲波電機振幅的閉環控制；定子 共振頻率的漂移會導致超聲波電機振幅的改變，于是若振幅閉環控制變量選 為頻率，也就間接地實現了頻率跟蹤控制。
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成頻率(PI)控制器，孤極電壓的反饋信 號(RAFB)先經串聯的電阻Rl和電位器R2上半部分分壓，然后經過二極管 Dl半波整流得到低壓直流信號，再送至并聯的電容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的負輸入端連接給 定信號，給定信號是由調節電位器R14來設定的；給定信號也可以由外環控 制系統給出，以構成速度控制系統。這里可近似的認為電容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超聲波電機振幅的閉環控制，但實驗表明，這 樣構成的閉環系統存在正反轉不對稱問題，即對應于相同的給定值(設定圖2 中電位器R14)，電機正轉和反轉時轉速不同，如圖3所示的電機轉速與給定 值關系曲線，在同樣的給定電壓值下電機的正轉速度和反轉速度不同，因此 電機的正轉曲線(CW)與反轉曲線(CCW)不重合，這一現象是由超聲波電機
的非線性造成的。
如果在上述電路基礎上增加轉速閉環控制電路及轉速檢測裝置，將能夠 克服這一內環非線性問題，但系統復雜性及成本必然增加，而且，這一問題 也將增加轉速控制器設計難度，降低系統動態性能，在實際應用中不實用。
發明內容
本發明的目的是提供一種簡單實用的解決現有技術中超聲波電機正反轉 不對稱問題的超聲波電機閉環控制電路。
一種超聲波電機閉環控制電路，是由頻率(PI)控制器根據給定信號和 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 輸出一頻率可調的方波信號，經分頻電路分頻、占空比調節電路調節相應各
路占空比，再由信號放大電路放大后送入相應A、 B相推挽電路驅動由超聲波 電機和串聯匹配電感構成的諧振電路，驅動電機正反轉；所述頻率控制器包 括一運算放大器，其負輸入端輸入給定信號，孤極電壓反饋信號經整流濾波 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 器之間還設有一超聲波電機正反轉不對稱補償電路，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、反轉控制信號分別控制對 應選通支路導通。
所述的超聲波電機閉環控制電路，其中所述選通支路是分壓電阻串接 一開關三極管的集電極，三極管發射極接地；電機正、反轉控制信號分別連 接相應選通支路中開關三極管的基極。
一種超聲波電機閉環控制電路，是由頻率(PI)控制器根據給定信號和 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 輸出一頻率可調的方波信號，經分頻電路分頻、占空比調節電路調節相應各
路占空比，再由信號放大電路放大后送入相應A、 B相推挽電路驅動由超聲波 電機和串聯匹配電感構成的諧振電路，驅動電機正反轉；所述頻率控制器包 括一運算放大器，其正輸入端輸入經整流濾波處理電路處理后的孤極電壓反 饋信號，負輸入端接收給定信號；其中所述給定信號是經一超聲波電機正 反轉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 的可調端子，并一起接入運算放大器的負輸入端，變阻器的可調端子還通過 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 轉控制信號控制對應選通支路導通。
所述的超聲波電機閉環控制電路，其中所述選通支路是分壓電阻串接 一開關三極管的集電極，三極管發射極接地；電機正、反轉控制信號分別連 接相應選通支路中開關三極管的基極。
本發明采用上述技術方案后將達到如下的技術效果
本發明的超聲波電機閉環控制電路，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輸入端之間設置一 超聲波電機正反轉不對稱補償電路，根據頻率控制器的控制誤差=給定值_孤 極電壓反饋值，適當調整反饋值或給定信號值，使電機正反轉時頻率控制器 的控制誤差盡量接近，從而改變頻率控制器的輸出頻率，在后續電路控制下 使超聲波電機正反轉時具有接近的轉速。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端子再接入運算放大器的正輸入 端；選通支路的導通由電機正、反轉控制信號對應控制；選通支路中分壓電 阻和開關三極管的集電極串接，三極管發射極接地，基極分別對應連接電機 正、反轉控制信號，調節變阻器的可調端子，電源電壓經直流偏置電阻和變 阻器相應接通段及對應選通支路分壓，可使輸入到頻率控制器中運算放大器
正或負輸入端的電壓相應變化，運算放大器正輸入端孤極電壓反饋值或負輸
入端給定電壓值的變化將導致頻率控制器輸出的控制量VC0IN頻率變化，再 經壓控振蕩器(VC0)等后續電路的作用，引起電機驅動頻率發生相應變化， 因此影響電機正反轉時的轉速。因此通過以上簡單的方式，就實現了電機正 反轉時狀態基本一致，不對稱問題明顯改善。
圖1為現有技術中超聲波電機閉環控制電路的結構圖； 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所示電機轉速與給定值的關系曲線； 圖4為一種超聲波電機正反轉不對稱補償電路的電路圖； 圖5為具有正反轉不對稱補償電路的超聲波電機閉環控制電路結構圖； 圖6為圖4所示電路控制下超聲波電機轉速與給定值的關系曲線； 圖7為另一種超聲波電機正反轉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控制電路，如圖5所示，由頻率(PI)控制器根據 給定信號和孤極電壓的反饋信號輸出相應控制信號，壓控振蕩器接收該控制 信號輸出一頻率可調的方波信號，經分頻電路生成兩相四路互差90°的方波 信號，該四路信號再經相應基于P畫(脈沖寬度調制)方法的占空比調節電路 調節相應占空比實現調幅，再由信號放大電路放大后送入相應A、 B相推挽電 路驅動由超聲波電機和串聯匹配電感構成的諧振電路，使電機正向或反向運 轉。
實施例1:
超聲波電機定子上設置的孤極壓電陶瓷片先經反饋信號處理電路整流濾 波，再經一正反轉補償電路處理，最后送入頻率控制器中；超聲波電機正反
轉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 的負輸入端通過分壓電阻R15串接電位器R14的可調端子，電位器R14的兩 端分別接入電源VCC與地之間，通過調整電位器R14來設定運算放大器U1A 的負輸入端的給定信號值；孤極電壓反饋信號RAFB經串聯的電阻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 再經電容Cl和電阻R4并聯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和一開關三極管Q1的集電極，開關三極管Ql的發射極接地，基極連 接電機正轉控制信號S0;接于電位器R7下端的支路中串接一分壓電阻R9和 一開關三極管Q2的集電極，開關三極管Q2的發射極接地，基極連接電機正 轉控制信號S1;電機正轉時，控制信號SO為高電平，Sl為低電平，Ql對地 導通，R8支路工作，同時Q2處于截止狀態，R9支路不工作；電機反轉時， R9支路工作，而R8支路不工作；調節電位器R7的可調端子，可使電機正反 轉時，運算放大器U1A正輸入端的輸入電壓值不同；根據頻率控制器的控制 誤差=給定值-孤極電壓反饋值，適當調整運算放大器U1A的正輸入端輸入電 壓值使電機正反轉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，在后續電路控制下使超聲波電機正反轉時具有接近的轉速。 本實施例中，三極管Q1、 Q2均采用2N2222A，各電阻的具體參數為 R5二20kQ， R6=510kQ, R7=10kQ電位器，調節后，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，通過上述調整的反饋
值，電機正反轉時轉速與給定值的關系曲線如圖6所示，正反轉曲線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不對稱補償電路如圖7所示，超聲波電機 定子上設置的孤極壓電陶瓷片輸出電壓RAFB先經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。
運算放大器負輸入端與設置給定信號的電位器R14的可調端子之間設置 正反轉補償電路，補償電路線路設置與實施例1相同，其中，不同的是將 電阻R5與設置給定信號的電位器R14的可調端子串接，電位器R7的可調端 子與運算放大器U1A負輸入端串連的電阻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的可調端子向與實施例1中所 述的相反方向調整。經試驗，本實施例所提供補償電路也達到控制電機正反 轉狀態基本一致的目的。
權利要求
1、一種超聲波電機閉環控制電路，是由頻率(PI)控制器根據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的方波信號，經分頻電路分頻、占空比調節電路調節相應各路占空比，再由信號放大電路放大后送入相應A、B相推挽電路驅動由超聲波電機和串聯匹配電感構成的諧振電路，驅動電機正反轉；所述頻率控制器包括一運算放大器，其負輸入端輸入給定信號，孤極電壓反饋信號經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有一超聲波電機正反轉不對稱補償電路，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、反轉控制信號分別控制對應選通支路導通。
2、 如權利要求l所述的超聲波電機閉環控制電路，其特征在于所述選通 支路是分壓電阻串接一開關三極管的集電極，三極管發射極接地；電機正、反 轉控制信號分別連接相應選通支路中開關三極管的基極。
3、 一種超聲波電機閉環控制電路，是由頻率(PI)控制器根據給定信號和 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 出一頻率可調的方波信號，經分頻電路分頻、占空比調節電路調節相應各路占 空比，再由信號放大電路放大后送入相應A、 B相推挽電路驅動由超聲波電機和串聯匹配電感構成的諧振電路，驅動電機正反轉；所述頻率控制器包括一運算 放大器，其正輸入端輸入經整流濾波處理電路處理后的孤極電壓反饋信號，負 輸入端接收給定信號；其特征在于所述給定信號是經一超聲波電機正反轉不 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端子， 并一起接入運算放大器的負輸入端，變阻器的可調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、反轉控制信號控制對 應選通支路導通。
4、如權利要求3所述的超聲波電機閉環控制電路，其特征在于所述選通 支路是分壓電阻串接一開關三極管的集電極，三極管發射極接地；電機正、反 轉控制信號分別連接相應選通支路中開關三極管的基極。
全文摘要
本發明的超聲波電機閉環控制電路，是在現有孤極電壓輸出端與頻率控制器之間設置一超聲波電機正反轉不對稱補償電路，根據頻率控制器的控制誤差＝給定值-孤極電壓反饋值，調整反饋值或給定信號值，使電機正反轉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，在后續電路控制下使超聲波電機正反轉時具有接近的轉速。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端子后接入運算放大器的正輸入端，通過電機正、反轉控制信號控制對應選通支路導通分壓，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 優先權日2007年6月18日
發明者侯義銘, 劉兆魁, 史敬灼, 周魯英, 肖雋亞 申請人:河南科技大學