[发明专利]一种超声波电机控制电路

说明书

技术领域

本发明涉及超声波电机，尤其涉及超声波电机的驱动控制技术领域。

背景技术

超声波电机是一种新型的运动控制执行元件，具有不同于传统电机的工作原理与结构。传统电机是利用磁场力推动转子或动子运动的，超声波电机则是利用压电材料的压电效应，靠摩擦力推动转子或动子运动的。与传统电机相比，超声波电机有结构简单，不需要线圈，重量轻，驱动部件形状灵活，无噪声，无磁场辐射干扰，功率质量比大，微位移直接驱动等诸多优点。这些优点使得超声波电机在航空航天、机器人、精密加工设备、医疗仪器、生物工程设备等高端运动控制领域及家用电器、汽车电子等普通运动控制领域都有着广泛的应用前景。

超声波电机是基于压电陶瓷材料的逆压电效应进行工作的。外加高频高压驱动信号作用于粘贴于定子上的压电陶瓷片，使其表面质点产生椭圆旋转运动，该运动经过定子齿槽机械构件的放大，驱动转子旋转。

超声波电机对其外加驱动信号的频率、幅值均有特定的要求。超声波电机的驱动电压范围一般为150-1000V(峰峰值)，具体数值主要取决于压电陶瓷片的性能要求。驱动电压过高会损坏压电陶瓷片；驱动电压过低，压电陶瓷片振幅太小，超声波电机不能正常工作。

超声波电机驱动频率一般为20-100kHz。如果外加驱动信号的频率与超声波电机定子的共振频率(包括转子的影响)相一致，则能够获得较大的振幅，对应于电机有较大输出功率；但输入电流过大，则效率下降，转子的运动也不稳定。实际的驱动频率设定在具有最佳工作状态的频率点上，且这个频率会随电机温度等运行参数的变化而在小范围内漂移。

不同的超声波电机具有不同的驱动电压工作范围和最佳工作频率。因而，超声波电机驱动电路不仅要能够输出高频高压信号，而且其频率、幅值都应该是可调的。

另外，对于常用的两相行波超声波电机，两相输出信号之间的相位差与超声波电机定子表面质点的椭圆运动模式直接相关。调节这个相位差能够改变电机输出转矩，进而达到控制电机转速的目的。这使得两相输出信号之间的相位差成为超声波电机控制系统中一个重要的可控变量。为了实现对相位差的控制，驱动控制电路应具有输出相位差调节功能。

综上所述，为使超声波电机正常工作并实现高性能的控制，对其驱动控制电路的基本要求是：

1)输出高频高压驱动信号；

2)输出信号频率可调；

3)输出电压幅值可调；

4)两相输出信号之间的相位差可调。

申请号为201010286489.5，201010286490.8，200710054583.6等相关专利文件都对超声波电机及其驱动控制有相关介绍，此处不再过多叙述。

目前，超声波电机驱动控制电路结构较为复杂，一定程度上限制了其工业化应用。特别是设计串联匹配电感时，难以保证超声波电机端电压达到需要的幅值。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声波电机控制电路，用以解决LC谐振电路升压不足的问题，另外为了进一步完善控制电路，本发明还提出了输出驱动信号的频率、幅值、相位均可调，可作为一种通用驱动电路应用于不同需求场合的全功能型的超声波电机低成本驱动控制电路。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种超声波电机控制电路，包括PWM信号发生器和驱动超声波电机的A、B两相桥式驱动电路，PWM信号发生器产生的PWM信号分别驱动所述A、B两相桥式驱动电路的开关管，A、B两相桥式驱动电路的交流侧均串设有串联匹配电感，所述A、B两相桥式驱动电路分别设置有用于调节对应相桥式驱动电路直流母线电压的Boost升压电路。

所述A、B两相桥式驱动电路均为半桥电路。

所述A、B两相桥式驱动电路的开关管为MOSFET。

所述PWM信号发生器输出的A、B两相PWM信号分别连接A、B相调相电路。

所述A、B相调相电路均包括一条串联电阻支路和一个接地电容(C8)，接地电容(C8)连接串联电阻支路的一端，该端为对应相调相电路的输出端，串联电阻支路的另一端为对应相调相电路的输入端，所述输入端与输出端之间反向连接有一个放电二极管(D3)。

所述A、B相调相电路连接均连接二分频电路，经二分频后产生的两相四路互差90°的用于驱动半桥驱动电路开关管的PWM控制信号。

一相调相电路包括第一D触发器，第一D触发器的输入端连接其反向输出端；另一相调相电路包括另第二D触发器，第二D触发器的输入端通过选择开关连接第一D触发器的正向输出端或反向输出端。