[发明专利]一种带低频控制的对称PWM控制信号发生器

说明书

技术领域

本发明涉及PWM（脉冲宽度控制）技术领域，尤其涉及一种应用于超声波电机对称驱动控制系统的高低频PWM控制信号发生器。

背景技术

超声波电机驱动电路有多种不同的结构形式，推挽式驱动电路是其中一种，由于成本低、可靠性高，该种驱动电路结构具有广阔的应用前景。

超声波电机推挽式驱动电路的基本结构如图13所示，推挽电路与超声波电机直接相连，实现电压幅值放大，并利用变压器次级绕组与超声波电机的容性压电陶瓷片构成谐振，滤除方波驱动电压中的谐波成分，实现近似的正弦波驱动。图中的超声波电机为两相超声波电机，故需要A, B两相推挽电路。超声波电机驱动中实际应用的两相推挽电路如图14所示，图中USM表示超声波电机，U1、U2为驱动芯片IR4427，A相推挽电路由开关管Q1、Q2构成，B相推挽电路由开关管Q3、Q4构成。对称PWM控制信号发生器应产生两相互差一定角度(可调节)的PWM信号，每相包含两路对称PWM信号。这两路对称PWM信号经驱动放大环节生成的高频PWM信号控制一相推挽式电路中的上、下两个开关管动作，实现推挽式驱动。这里所谓的“对称PWM信号”是指用于控制上、下两个开关管的两路PWM信号脉冲宽度相同，相位互差180电角度。每相有两路控制信号。

由于对超声波电机进行控制的需要，不仅要求图13中的对称PWM控制信号发生器能够给出对称PWM控制信号，而且要求给出的对称PWM控制信号的频率、占空比(脉冲宽度，对应于超声波电机驱动电压幅值)可以调节，两相四路PWM信号的相位差亦可调节；即可调频、调幅、调相。对超声波电机输入驱动电压的幅值、频率、相位差等可控变量进行调节可以实现其转速控制。仅调节单一可控变量难以实现较好的控制效果，而采用多变量控制又存在多变量耦合现象、时变严重且在线寻优困难等问题。低频PWM控制作为一种新颖的控制方法，通过控制超声波电机输入电压的通断或切换，实现对电机转速的有效控制。

低频PWM控制的思想是，用频率低于驱动电压频率的PWM信号对驱动电压进行控制，使电机输入端的驱动电压处于通断或是切换控制中。采用的是驱动电压的通断控制，其它控制量都固定，使电机端驱动电压时断时续；有驱动电压作用时，电机正常旋转，无驱动电压作用的时间段，电机靠惯性旋转。

低频PWM控制有三种不同的控制方式。

最基本的低频PWM控制是通断（ON/OFF）PWM控制，它使驱动电压时断时续，如图1所示。当电机受到驱动电压激励时，电机接受电能并将其转换为机械能输出；当驱动电压被切断时，电机依靠电机转子的机械惯性及压电陶瓷的压电惯性维持转子旋转。改变通断PWM 控制信号的占空比，就可以实现转速调节。

通过改变电机输入端驱动电压的相位关系来实现电机正反转的低频PWM控制方式称为正反转（F/B）PWM 控制，其示意图如图2。在低频PWM控制信号为高电平时，输出驱动电机正向旋转的电压；当PWM 控制信号为低电平时，输出切换为驱动电机反向旋转的电压。显然，改变PWM 控制信号的占空比可以调节转速，而且易于实现电机正、反转的平滑切换。占空比50%对应于电机转速为零的情况。

上述两种方法结合的方式称为正反转停（F/B/S）PWM 控制方式，其PWM控制信号如图3所示，在一个PWM控制周期中包含了输出正转电压、反转电压及零电压的四个时间段。其中，零电压时间长度固定，调节输出正转电压、反转电压的时间长度来实现控制。

低频PWM控制策略需要同时给出可调节的低频和高频PWM控制信号，实现较为困难。现有技术中对三种低频PWM控制方法，多采用模拟开关来实现对电机输入电压的通断或切换，但是模拟开关控制电路复杂，采用分立元器件不利于电路的集成化和小型化，且器件受温度等环境条件影响较大，系统的稳定性和响应能力也会相应降低；控制电路一旦形成难以修改，成本高、应用具有极大的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种带低频控制的对称PWM控制信号发生器，用以解决现有技术实现低频PWM控制电路复杂、集成度低、稳定性和响应能力低的问题。