圆柱形多自由度超声波电动机驱动电路的研究

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1、圆柱形多自由度超声波电动机驱动电路的研究裘迅1，李志荣1，黄卫清2(1．苏州市职业大学，江苏苏』、I'1215104；2．南京航空航天大学，江苏南京210016)摘要：根据圆柱形多自由度超声波电动机的工作原理、特点，提出了驱动电路的设计要求。根据此要求提出了一种驱动电路的设计方案，并分析了其原理和特性。针对该设计方案存在的不足，对驱动电路进行了改进，较好地满足了电机驱动和控制的要求。关键词：多自由度；超声波电动机：驱动；控制；电路0引言超声波电动机的驱动技术伴随着超声波电动机的产生、发展而同步发展。超卢波电动机的工作原理与传统的电磁电动机不同，其驱动的方法也不同。因此，对

2、超声波电动机驱动技术的研究，既要借鉴电磁电机的方法，更要考虑超声波电动机本身的特点。在单自由度超声波电动机的驱动方面，国内同行已经做了大量的、卓有成效的研究工作H-5]。而对多自由度超声波电动机驱动技术的研究起步相对较晚【6。1¨。本文以自行研制的圆柱形多自由度超声波电动机为对象，研究超声波电动机的驱动电路，为该种电机的驱动和控制打下基础。1驱动电路的要求圆柱形多自由度超声波电动机的结构和工作原理如图1所示。在三组压电陶瓷元件PZTA、B、C上分别施加合适的交流电压时，可以激发出定子的三个工作模态：两个二阶弯振模态和一个一阶纵振模态。当两个弯振(在时间、空间相位上均相差9

3、00)合成时，就可以在定子的驱动端面(头部)产生椭圆运动，进而依靠定、转子之间的摩擦，驱使转子绕z轴转动；同理，当一个弯振与一个纵振(在时间、空间相位上亦均相差90。)合成时，就会驱使转子绕X或Y轴转动f12～161。一般情况下，超声波电动机是依靠超声频段的简谐信号来激励、驱动的，可以通过调节其激励信号的相位、频率和幅值之一来改变其运动状态。因此，从超声波电动机运动控制的角度来讲，有三种基本控制方法：相位差控制、频率控制和电压幅值控制。相位差控制的优点是能以平滑的速度变化实现正反转，某些情况下有助于提高速度分辨率，缺点是具有强的非线性。从硬件角度讲，相位差控制需要专门的相

4、位调制电路，具有相位调节功能的两路信号发生器比其它控制方法复杂得多。频率控制由于容易实现、能够覆盖整个速度范围，被广泛应用于行波型超声波电动机的控制。但由于这种方法不允许独立地改变三个振动模态的激励频率，因而不能独立地实现对三个方向转速的控制，所以频率控制不适于多自由度超声波电动机。电压控制是通过改变激励电压的幅值来改变振动的振幅，进而改变电机转速的控制方法。电压控制呈现良好的线性性质，能取得良好的控制效果。即使采用经典的控制器，如PID控制器，也具有较好的鲁棒性。因此本文将．．259．．从调节电压幅值角度，设计和分析多自由度超声波电动机的驱动电路。日∈(a)电机的结构(

5、b)电机工作原理图1电机的结构组成和工作原理根据圆柱形多自由度超声波电动机的工作原理、特点及其电压幅值控制的需要，其驱动电路(亦称驱动电源)应满足如下要求：1)能提供满足电机工作频率要求的三路高频驱动信号；2)能独立地调节三路驱动信号的电压幅值；3)能独立地实现三个自由度运动的启动、停止和正反转；4)三路驱动信号之间相位差能保持同相、反相或正交(900或2700)；5)能与电机匹配，以提高驱动效率。2驱动电路及其特性按照圆柱形多自由度超声波电动机驱动电路的上述要求，曾设计和试制了一种驱动电路，其原理如图2所示。这是一个多自由度超声波电动机调压控制电路，由三个相同的电路模块

6、组成三(a)A相；u^(c)C相图2驱动电路I的三个模块．．260．．(b)B相∈相控制电路。每相输入方波的频率是相同的，但相位上有差别。根据电机不同的运行需要(运转方向)，A、B、C三个模块输入的方波在相位上要么同相、要么反相、要么正交(90。或270。)。同时，希望三个模块的输出U4、U日、U(?在相位上保持这一关系，而在幅值上可以根据各自的控制电压甜”gliB、blic来调整。下面以模块A为例，分析一下三个模块中各点的工作波型，如图3所示。A点是占空比为50％的方波输入。输入后分成两路，两路的相位差为180。。R，和尺，提供一个直流偏置电压儿志吃(1)尼+见“方波信

7、号经过电容G微分后，得到B、C两点的电压波形。这两个波形经过两个比较器与控制电压甜，。比较，得到两列方波D和E，用它们来驱动两个场效应管的栅极，场效应管工作在开关状态。最后得到的输出波形为U4。可见，材。是一个周期信号，其周期7’与该模块输入方波的周期相同。这个周期信号再经过匹配电感(图中未画出)后，就可以得到周期为r的正弦信号，用它来激励电机定子的压电陶瓷片。而该正弦信号的幅值和相位均与参数五有关。在其它参数不变的条件下，参数石由控制电压U¨唯一决定。在图3中，设A点的第一个上升沿的时间起点，=0，对“A进仃泰勒展开，司得到