超声波电动机驱动技术工业机器人技术基础延伸阅读资料

超声波电动机驱动技术超声波电动机是利用压电材料的逆压电特性，激发电机定子的机械振动，通过定转子之间的摩擦力，将电能转换为机械能输出，驱动转子的定向运动与传统电机相比，它具有体积小、低速大转矩、反应速度快、不受磁场影响、保持力矩大等优点，成为近年来国内外在微型电机方面的研究热点与电磁式电机相比，超声波电动机有两个不同点一是超声波电动机必须工作在超声频域，根据各种电机不同的结构形式，要求驱动器能够输出频率在20〜lOOkllz的高频电压二是由于压电材料具有容性负载的特点，不同于传统电机的感性或阻性负载，为了提高驱动电路效率，实现能量的高效转换，使换能器获得足够的功率，在驱动电源和换能器之间必须增加匹配电路因此，传统电磁式电机的驱动电源对超声波电动机并不适用，必须为其设计专用驱动1驱动电路的构成图1是常见的超声波电动机驱动电路系统框图，它由四部分组成:信号发生电路、分频相移电路、功放电路和变压器信号发生电路通常产生频率可调的超声频率方波信号，经过分频相移电路产生相位差为90°的两相信号，作为功放电路的控制信号功放电路完成功率放大和负载匹配两个功能，即功率放大将控制信号放大;负载匹配则利用变压器和在换能器输入端接入的电感来实现，可以提高驱动电路和换能器间的能量传输效率，使换能器获得足够的功率，同时，匹配电路也可用来滤波，将方波转换为正弦波，减少高频谐波外接的变压器则进一步升压，使超声波电动机能正常工作图1超声波电动机驱动电路系统框图2驱动技术的分类超声波电动机经过二十多年的发展，其驱动技术也有了很大的发展超声波电动机驱动技术的种类较多，可以按照以下的几种方式分类

2.1根据发生信号的类型分类目前信号发生器产生的信号主要有方波和正弦波信号方波信号不仅产生简便，更重要的是由于超声波电动机的功放电路中使用最普遍的是开关逆变型驱动电路，这一开关特性,决定了驱动系统只需方波信号即可开关逆变型驱动电路体积小、重量轻、效率高，又可分为推挽型逆变功放电路、半桥逆变电路、全桥逆变电路等表1列出了三种逆变电路的优缺点表1逆变型各电路的优缺点电路优点缺点一半桥型变压器双向励磁，开关较有直通问题_________少,成本低，无偏磁问题__________________________全桥型变压器双向励磁，容易达到结构复杂，成本较高_________大功率_________________________________________推挽型变压器双向励磁，变压器一有偏磁问题，可能导致次电流回路只有一个开关，变压器发热，损坏器件通态损耗小，驱动简单尽管利用方波作为前级开关控制的逆变驱动电路简单实用，但也存在的以下缺点1由于驱动电路输出的正弦波是由匹配电路滤波获得的，而不同的超声波电动机工作频率范围很大，任一滤波电路都不能满足所有的滤波需求因此采用开关逆变型驱动电路的通用性较低2超声波电动机的速度控制可由调频、调相和调幅实现虽然方波可以很方便地实现调频和调相，但是很难调幅即使利用脉宽调制技术改变占空比调整幅度，输出电压幅值和占空比不成现行线性关系，控制精度底，仍然很难满足超声波电动机快速准确的速度控制3由于方波含有较多的谐波分量干扰，不利于对电机运行的精确分析，并易使超声波电动机发热，改变谐振频率因此如能使用正弦信号直接线性放大，作为通用驱动电路，满足各类超声波电动机的驱动要求有很大的意义直接数字频率合成DDS技术是一种从相位概念出发直接合成所需的波形的频率合成技术，可以容易地产生频率、相位、幅度都可调的正弦信号DDS利用采样定理，通过查表法产生波形图2是DDS的基本电路原理相位累加器的输出是合成信号的相位，采用查表法取出存于数表中的数字波形，经数模转换器D/A,形成模拟量波形D/A输出的阶梯形波形，经低通带通滤波，成为质量符合需要的模拟波形通过改变频率控制字可以瞬时改变相位的增量，即改变输出波型的频率，这对超声波电动机的精确速度控制，如伺服控制，有很大的意义图2DDS基本结构框图DDS技术产生的是标准的正弦信号，功放放大必须保证波形放大不失真因此要采用线性放大驱动电路线性放大电路结构相对复杂，调试难度较大;也可采用一些集成的高压运放，如APEX公司的PA系列高压运放，但是由于价格较高，也限制了正弦波在超声波电动机驱动器中的应用

2.2根据是否外接变压器分类通常逆变驱动技术需要外接变压器以产生较高的电压而外接的变压器是影响驱动器体积的重要因素目前较常采用的是电磁式变压器，设计简单，使用广泛，但体积较大，且会产生电磁噪声，恰好与超声波电动机体积小、无电磁干扰的优点相反近来国内外一些学者提出利用压电材料制作压电变压器，以满足升压的需求压电变压器具有无电磁噪声、功率密度高、高效率的优点，其最大的优点在于有利于超声波电动机驱动的微型化美国学者SuwanManuspiya介绍了一种工作在径向振动模态的压电变压器，该变压器可驱动同为径向振动模态的超声波电动机，两者形状大小都很相似定子采用环形压电陶瓷（APC841）,外径

23.6mm,内径

6.5mm,厚1mm压电变压器和超声波电动机采用相同的材料，以使它们的温度特性相同压电变压器的内径为

14.5nim,外径为

20.0mm,另一外径为

28.8mm,厚度1mm变压器的直径仅比电机的直径稍大压电变压器的输入端为0〜9V的方波信号,压电变压器不仅可将信号放大，同时还能将信号滤为正弦信号采用变压器升压，虽然电源效率较高，但变压器须与不同型号的超声波电动机匹配，变压器的存在也使得驱动系统体积较大因此在一些特殊场合，可以采用无变压器的方法，如谐振升压超声波电动机可以等效为一容性负载，只需与一个电感串联，即可构成一个LC谐振电路谐振升压电路结构简单，体积小，但由于超声波电动机的参数是频变的，会对谐振分析产生一定的影响无变压器方法也可使用前文所述的一些性能出色的高压运放APEX公司的PA系列高压运放，带宽可达300kIIz,可提供高达200V的输出电压和300W的内部功率，能满足绝大多数超声波电动机的驱动需要，提高了驱动系统的通用性

2.3根据驱动电路的相数分类驱动电路按相数分类可以分为单相、二相与三相目前超声波电动机多采用两相输入超声波电动机驱动的基本原理就是产生行波，两相驱动直接满足了产生行波的要求，原理简单，因此使用最为广泛但相对单相驱动，其电路复杂，体积较大，难以微型化，同时为了提高电机的稳定性，还需有频率跟踪电路，进一步增加了驱动电路的复杂性三相驱动的性能与两相驱动相仿，只是它的多相驱动类型类似于电磁电动机的多磁极配置关系，有一定的参考意义因此三相驱动的应用比较少见单相驱动结构简单，有利于实现微型化特别是基于自激振荡原理的单相驱动器，在压电振子共振频率漂移时，可以自动调节信号的频率，大大简化了驱动控制电路日本学者将此技术应用到手表中，分别制作出8mm直径的振动闹钟和直径

4.5mm日历机芯驱动电路为采用单相信号，仅包括两个电容、一个压电元件和一个放大电路，而通过改变接入驱动信号的电极即可改变电机转动的方向需要指出的是基于自激振荡原理的单相驱动器对电机的特性有较高要求，电机导纳扫频曲线在共振点和反共振点之间相位突变要较明显，否则无法应用自激振荡

2.4根据采用恒压源或者恒流源分类超声波电动机工作的原理是通过超声频段的交流电,激发附在定子上的两相压电陶瓷环产生振动，使定子发生较大机械变形并产生驱动力因此，驱动器工作方式和超声工作频段的选择对电机的稳定性和系统效率等问题起着重要作用作为能量传输的方法，无论是恒压源还是恒流源，它们的驱动效果应该是相近的，应该都能使定子较好的振动超声波电动机驱动当前常采用恒压源方式且工作在定子共振频率附近而近年来国内外学者研究表明，压电材料工作在反共振频率附近或采用恒流源驱动具有驱动电流较小，发热较少，稳定性好，驱动效率高等优点因此恒流源的驱动方式正在成为研究的热点研究表明较小功率输出时，超声波电动机适宜工作在共振点（最大导纳）附近且采用恒压驱动方式;而较大功率输出时，超声波电动机适宜工作在反共振点（最小导纳）附近并采用恒流驱动方式在实际的设计中，应按照设计要求合理选择驱动方式。