[发明专利]一种实现超声电机频率跟踪的微型装置及方法

说明书

一种实现超声电机频率跟踪的微型装置及方法，其中，微型装置包括控制模块、电机驱动模块、阻抗匹配模块、温度传感器模块、相位检测模块和电压有效值检测模块，控制模块包括微型单片机或DSP芯片；电机驱动模块用以产生两频率、相位差和电压值均可调的方波电压信号；阻抗匹配模块采用可变电感器；温度传感模块用以实时测量电机运行过程中的温度；相位检测模块用以检测电机激励电压和采集电压之间的相位差；电压有效值检测模块用于反映电机的振动状态。本发明不仅提高了超声电机转速的稳定性，而且有益于促进超声电机的微型化进程，使得集成有该微型驱动控制装置的超声电机，有望应用于微机器人以及体内医疗等对系统尺寸有较大限制的领域。

技术领域

本发明涉及的超声电机领域，尤其涉及一种实现超声电机频率跟踪的微型装置及方法。

背景技术

超声波电机是近年发展起来的一种新型电机，它利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将压电陶瓷的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。由于独特的运行机理,超声电机具有传统电磁式电机所不具备的优点，如体积小、质量轻、低速大转矩、无电磁干扰、噪声小、控制精度高、响应速度快等，在非连续运动领域及精密控制领域有广阔的应用前景。然而，为获得较大的输出力矩，超声波电机必须工作在某个最佳频率上。但由于超声波电机中压电陶瓷的介电系数、等效电容及漏电阻都会随电机运行中电机本体温度的升高发生变化，这将使得电机所需的最佳激励频率约有1～2kHz的变化。如果驱动频率不变，电机转速将明显下降。为了稳定地驱动超声波电机，有必要根据温度的变化自动调节驱动频率，以跟踪超声波电机谐振频率的变化。

但，目前实现超声电机频率自动跟踪控制的主要途径有两大类：一是利用附着在定子上的压电陶瓷孤极，通过其反馈电压来反映定子的振动状态，亦称为基于传感器的频率跟踪方法，它不适用于无法安装或构造传感器的超声电机，并且该压电陶瓷孤极只能用于反映定子的振动状态，造成了材料的浪费。同时，这种方法只适用于行波型超声电机的频率跟踪，适用范围较窄。另一类是利用电机的驱动电压、电流相位等驱动状态，亦称为无传感器的频率跟踪方法，但这种方法所要求的条件较苛刻，实现电路较复杂且参数的选择也较困难。另外，为促进超声电机微型化的应用需求，开发出微型化的电机驱动控制系统也是目前亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种实现超声电机频率跟踪的微型装置及方法，该装置实现方式简单、易于微型化，且结构简单、适用性广，并能精确实现超声电机频率跟踪的微型装置及方法。

一种实现超声电机频率跟踪的微型装置，其特征在于：包括控制模块，所述控制模块的第一信息采集端与温度传感器模块相连，所述温度传感器模块用于实时检测超声电机运行过程中的温度；

所述控制模块的第二信息采集端与相位检测模块的输出端相连，所述相位检测模块的第一信息采集端用于采集激励电压；所述相位检测模块的第二信息采集端通过压电陶瓷采集所述超声电机因振动引起的电压，记为采集电压，所述相位检测模块用于实时检测所述激励电压和采集电压的相位差；

所述控制模块的第三信息采集端与电压有效值检测模块的输出端相连，所述电压有效值模块通过所述采集电压反映电机的振动状态；

所述控制模块的输出端依次通过电机驱动模块和阻抗匹配模块为所述超声电机提供激励电压。

为更好实现本发明中的装置，可进一步：所述温度传感器模块包括DS18B20Z温度传感器，或者LM74温度传感器，所述温度传感器贴附在所述超声电机的壳体上。

为更好实现本发明中的装置，可进一步：所述相位检测模块包括双稳态触发器和TLV1702电压比较器，所述TLV1702电压比较器的两个输入端分别连接所述激励电压和采集电压，所述双稳态触发器用于判断所述激励电压的相位超前还是滞后所述采集电压的相位，并测量两者相位的时间差。