超声波电机研究-开题报告

1、哈尔滨工业大学硕士学位论文开题报告题目：超声电机驱动技术研究院 （系）航天学院学科控制科学与工程导师赵辉研 究 生袁博楠年级2010级硕士开题报告日期2011-7-15研究生院培养处制1 课题来源及研究的目的和意义超声波电动机 （简称为 USM ）是利用压电材料的逆压电效应 ,把电信号加到压 电陶瓷 -金属构成的定子上 ,使定子表面的质点产生一定轨迹的机械振动 ,驱动转 子运动的新型电机。由于定子的振动频率多数处在超声频范围,所以被称为超声波电动机 1。这种电机的具有能量密度大、 响应快、结构紧凑、 低转速、大力矩、 不受电磁干扰、 断电自锁等优点。 在微型机械、 机器人、精密仪器、家用电器、

2、 航空航天、汽车等方面有着广泛的应用前景。由于超声波电机的特殊结构和运行机理，使得超声波电机具有不同于传统电 磁型电机的优点，但是在研究中也同时产生了一些问题：1）由于超声波电机是利用定、 转子之间的摩擦传动的， 其滑动接触比较复杂， 传动规律难以精确地表达，目前还没有一个精确的模型来描述超声波电机。2）超声波电机属于容性负载， 会导致电机的谐振功率点的电流和电压相位不 同，从而增加了电路中的无功损耗，输出效率较低。3）由于压电材料的特殊性、 摩擦发热和工作环境变化等问题， 驱动转子的摩 擦力将产生严重的非线性变化，这种变化使控制电机匀速转动的难度大大增加。4）随着温度、 输出转矩及定转子之间

3、的静压力等外界条件的变化， 压电陶瓷 的谐振频率会发生漂移，从而导致电机性能的不稳定。通过以上的分析得出超声波电机是复杂的多变量、 强耦合、时变系统。因此， 超声波电机的性能不仅仅取决于电机自身结构的好坏， 在很大程度上还取决于其 驱动控制系统的优劣， 同时由于以上的困难也导致了超声波电机的驱动器设计的 难度要远大于传统电磁型电机。 那么以改善超声波电机运行平稳性、 提高其运动 控制装置性能为目标，进行超声波电机驱动控制技术方面的研究 ,对于超声波电 机的广泛应用是十分必要的。本课题的研究目的主要就是为了克服上述问题，对超声波电机的驱动技术进 行深入的研究， 最终设计出比较稳定的的频率自动跟踪

4、电路、 高精度快速响应电 路，以及高效率的驱动容性负载的驱动器。2 国内外在该方向的研究现状及分析2.1 超声波电机国内外研究现状20世纪 40年代，人们就知道了超声波电机的工作原理 2，但直到 80 年代， 随着具有高转换效率的压电陶瓷材料的出现， 以及电力电子技术的发展， 才逐步 研制出各种类型的超声波电机。1987 年，佳能公司将其开发的圆环型行波超声波电机正式应用于 EOS 相机 自动调焦系统，实现了超声波电机的商业应用 3 。日本在超声波电机的研究方面 一直处于世界领先地位。 它掌握着世界上大多数超声波电机技术的发明专利。 在日本，几乎各知名大学和许多公司都对超声电机进行了研究和生产

5、。环状行波型和棒状行波型电机已大批量生产，最近一种驻波型电机也已投入批量生产，主要用于工作时间短、精度高及某种特定功能的机器或领域中。日本公司将超声波电机应用于自动门、风扇、微动台、控制台、家电产品中，进一步开辟并扩大其应 用市场4。20世纪末和新世纪初，中国、美国、德国、法国、英国和其他一些发 达国家都开始了对超声电机的研究。最近几年来，除了日本之外，美国、德国、 法国、中国、瑞士、韩国、土耳其和新加坡等都有超声波电机产品进入市场，在 这些国家中，以美国发展得最快，应用的领域也最广5经过十年的发展，美国许 多单位都在进行超声波电机的研究，如麻省理工学院（MIT）、美国航空航天局（NASA）、

6、喷射推进实验室（JPL） ,Stanford, Berkeley, Wisconsin, Penn. State 和 DARPA（Defe nse Adva need Research ProjectAge ncy等。美国某些公司生产的超 声波电机产品已经在航空航天、半导体工业、MEMS、和Bio MEMS等领域先后得到了应用。美国为了发展空间的反导弹、反卫星及情报侦察系统，近几年将要发射100个以上的纳米卫星（质量7-8kg）。这种纳米卫星的核心技术之一是微机 械和微传感系统，包括微传感/遥感器、微陀螺和微驱动器。为此，美国正加速 发展微型超声电机（直径仅1-2mm）。图1为美国宾州（Pen

7、n. State）大学研发的微 型超声波电机最新成果5，该电机直径为1.8mm，长度为4mm。图1美国宾州大学微型超声波电机我国超声波电机研究的起步和美、德、法、韩国等国差不多。自“首次全国 超声电机技术研讨会”后，超声波电机更受到各方面的关注， 特别是得到国家自 然科学基金会和863高技术专家组的大力支持和资助 。我国的超声波电机技术 得到较快的发展，先后有清华大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、长春光机所、 哈尔滨工程大学水声研究所、吉林工业大学、南京航空航天人学、北京科技大学、 天津大学、上海冶金研究所、华中科技大学、东南大学、信息产业部电子第21研究所等十几所单位开展了对超声波电机的研究。

8、 其内容涉及超声波电机运动机 理、谐振频率计算、驱动电路设计、控制方法以及样机的研制和试验，基本型式 几乎涵盖目前所出现的所有超声波电机类型。 在超声波电机的研究领域里，比较 著名的学者有赵淳生教授，胡敏强教授，陈维山教授，郭吉丰教授 ，陈永校教 授。南京航空航天大学在赵淳生教授的带领下研制了多种不同型号的超声波电机。 清华大学物理系已研制成直径 l0mm, 5mm, 3 mm, 1.5mm, lmm 的多种微型 超声波电机， 空载转速数百转到上千转， 且转速可调， 力矩从几微牛米到几百微 牛米，可为医用超声内窥镜的超声探头提供驱动源， 进而为形成一体化结构打下 了良好应用基础 8,9,10。

9、但是国内各单位对超声波电机的研究只限于实验室 11 至今还没有达到实用 阶段。目前驱动方面正在进行的研究 12主要有 :(1) 驱动系统的微型化 目前 ,超声波电动机驱动器与超声波电动机相比较 ,普遍偏大。随着超声波电 动机越来越多地应用于微型机器人、微机电系统 ,对驱动器的微型化要求越来越 高。实现微型化可以应用大规模集成芯片。随着芯片技术的发展, FPGA /CPLD、DSP的应用越来越广泛，已经可以将传统的由分立元件搭建的信号发生、分频相移 以及功率放大等电路集成在芯片中 ,同时可以通过程序设计 ,较方便地实现电机控 制。同时还需从电机驱动的结构入手 ,设计新型的驱动电路 ,改变传统的驱

10、动方式。(2) 驱动系统的通用化通常,不同的超声波电动机 ,对驱动频率、驱动电压的要求也是各不相同的。 为此设计人员必须设计不同的驱动系统 ,无疑增加了工作量和成本。通用化的目 的就是减少设计时间，节约成本。例如，以单片机、ARM等各种微控制器为核心， 与超声波电动机驱动电路结合 ,利用前文介绍的高带宽的高压运放构成一个智能 化的驱动系统。通过扫频获得超声波电动机的谐振频率,无须人为设置 ,自动调整输出,可望自动满足各种不同类型超声波电动机的需求。(3) 驱动技术的智能化 智能化也可用于进一步提高超声波电动机的性能。例如 ,为了使超声波电动机获得较大的输出力和输出功率 ,可以考虑结合多个超声波

11、电动机共同输出。但 是即使是同一型号的超声波电动机 ,他们的谐振频率也会有微小的差别。选择怎 样的频率作为电机群的工作频率有多种方案 ,如选择他们各自的谐振频率 ,或在他 们的谐振频率附近选择一个相同频率 ,或采用扫描的方式 ,或在非谐振区选择一个 频率。我们可以构建一个智能系统 ,将输出效率 (选择谐振频率附近一个相同频率 效率最高 ) 、硬件成本 (选择各自的谐振频率成本最高 ,因为要为每个电机需要单 独的驱动设备 ) 、复杂度 (选择非谐振区某一频率最简单 ,但是效率很低 )等方面作 为参数 ,根据现场需要选择最佳方案。我国已在超声波电机的研究方面取得了长足的进步， 在电机结构、 理论分

12、析 等领域同日本、 美国等国家的差距不是很大， 但是在超声波电机驱动控制、 产业 化应用方面差距明显 13 。目前，我国还没有一个完全产业化的超声波电机产品， 在同产业化生产相关的功能材料和加工工艺上还存在一定的问题。2.2超声波电机的运行机理目前使用最广泛的环形行波超声波电机（RTWUSM）的基本结构如图214机壳端盖图2环形行波超声波电机的结构图从图中可以看出，环形行波超声波电机的定转子均为环形结构。 其中，定子 上开有齿槽，转子同定子接触面覆有一层特殊的摩擦材料， 定子背面黏结上压电 陶瓷，并依靠蝶簧变形所产生的轴向力压紧在一起。（町正面（h反面图3环形超声波电机的压电陶瓷片结构图在行波

13、超声波电动机中最为关键的零部件是压电陶瓷片，它相当于该电机的心脏。电机的功率，转矩及效率等着主要的性能指标与之有着至关重要的关系。 压电陶瓷片的结构图如图3所示。从图中看出压电陶瓷片被分成空间上相差/4的两个部分（A相，B相）。这两部分由压电陶瓷上分别加上相位差 90°的两相 交流电压（频率f>20KHz ）进行激励。即可在定子表面产生行波。若用数学表达式描述,A相振子、B相振子分别由驱动电源Ea和EB激发得出 的驻波式分别为A（x,t）a cos kx cos t（i）B（x,t）Bsink（x xa） cos（ t ）其中,A A相振子的振幅；B B相振子的振幅；k =2

14、/A相振子与B相振子在空间上的间隔为x = /4,则式B相振子的驻波可表示为B(x,t) B sin kxcos( t )(3)若A相振子与B相振子的振幅相等即A= B= ,A、B相激励电压的相位差在 时间上相差90°,即=n /2，则A相驻波与B相驻波叠加后的行波方程式为=-n /2 时(x，t)cos(kxt)(x，t)cos(kx -t)(9)定子表面的质点纵向振动位移u ( x , t河表示为u(x.t) h (x,t)xkh(Asin kxcos t B coskxcos( t)当AB，时2u(x,t)kh sin(kx t)其中h为定子上表面到中性层的距离，也就是贴在定子

15、上的压电陶瓷厚度的一半，由式(4)(7)可得定子表面质点的运动轨迹方程:2(x,t)2u2(x,t)(kh )2(8)由上式可见质点的运动轨迹方程为椭圆轨迹。在椭圆运动最高点时(即波峰处)，横向位移最大，而纵向位移u为零,b coskxcos( t )0禾ij用 区!)=0即卩a sin kxcos tx此时Vx获得最大值Vxmaxkh A B sini 222A cos t B cos ( t )由上式可以看出改变两相电压的幅值， 频率，相位差都可以改变定子表面质 点运动的纵向速度。时2Vxmaxkh（10）上式中的负号表示定子表面的质点运动到椭圆最高点时，它的运动方向正好与行波前进方向相反

16、。若不计定转子间的滑动，假设转子接触面与定子振动波形 相切，则此时转子速度为下式。这里的负号同样也表示转子速度与定子振动行波 前进的方向相反。Vr kh（ 11）2.3超声波电机的等效电路模型丨. Lm如CmrvwiWi1|Rd 丄 Cd图4超声波电机等效电路图在谐振频率附近的固定频率点单相驱动的环形行波型超声波电机其自由定 子可用一个等效电路15来表示，如图4所示。其中Cd表示由压电陶瓷介电性 引起的夹持电容，Rd表示压电陶瓷的介电损耗，Lm表示定子质量效应的等效电 感,Cm表示定子弹性效应的等效电容，Rm表示定子内机械损耗的等效电阻。环形行波型超声波电机是通过利用两个同型驻波叠加，然后形成

17、的一个行波 作为驱动源，然后通过摩擦带动转子转动。其类型为单压电环双相驱动型超声波 电机，因而整个电机的等效电路可由图 5所示的表示。 Mlluib1.11的Rm CmTh图5两相驱动完整等效电路图2.4行波超声波电机的速度控制特性表1超声波电机调速方式与特性控制变量控制方法原理特点控制特征曲线优点缺点1改 变 电 压 幅 值同时改 变电压 幅值改变行波波 动幅值线性调速范围 小,低速时 转矩小，有 死区1转速.|/电压: 改变电 压幅值 比改变行波振 幅和椭圆运 动形状线性"转速/幅值比改变相位差改变定子表 面质点的椭 圆运动轨迹换向运动 平滑不易低速启 动1'转速改变驱动

18、频率通过调节谐 振点附近的 频率控制转 速和转矩响应快， 易低速启 动非线性/改 变 通 电 时 间正反转 脉宽调 幅控制调整正反转的占空比转矩恒定 调速范围 宽近线 性效率低，音 频机械振动 问题转速断续驱动切换噪声和 机械振动L占空比目前超声波电机的速度控制主要有 4种：改变电压幅值，改变相位差，改变 驱动频率，改变通电时间。不同的调速方法有不同的特点和应用场合。变频调速有响应快速和调速范围 大的优点，但误差较大，由于温度对电机参数的影响，使得频率特性的重复性变 差，引起在指定速度处有抖动。调压调节的调速范围较小，电压不能过低也不能 过高，但是在死区和饱和区之间线性度比较好。 调相调速方法

19、换相过程平滑，容 易实现正反转运行。改变通电时间调速方法可以在特定的应用场合下减小和消除 行波型超声波电机转子的自锁摩擦力。超声波电机的开关驱动方式就是利用 PWM 波控制逆变电路产生频率， 相位， 幅值可调的两路方波信号来进行超声波电机的调速控制。目前超声波电机用的比较多的调速方法主要有以下几种：1. 调压控制，一般通过调节 PWM 控制信号的占空比来实现。2. 调频控制，通过调节驱动信号的频率来实现。3. 调相控制，通过调节两相驱动电压的相位差来实现。4. 正反转脉宽调速，通过调整正反转驱动时间占空比实现。 5断续驱动，采用驱动电压的通断控制，其它控制量都固定，使超声波电 机的驱动电压时断

20、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。2.5 超声波电机的驱动控制技术目前超声波电机的控制信号的产生方法有很多：1）比较早期的方法是利用 NE555 定时器构成多谐振荡器，由振荡器产生频 率可变的方波信号，方波信号加到环形计数器触发端，得到 4 路相位互差 90° 的方波信号，滤波后得到的正弦波通过脉宽调制控制芯片得到 SPWM 波。驱动 功率逆变电路。 这种方式调频由振荡器外围电位器调节， 调节精度不够， 而且是 手动调节完全无法满足快速调速的要求， 而且这种电路不具备调相功能， 而且这 种电路在频率自动跟踪的性能很差。考虑到 NE5

21、55 定时器调频控制很困难，采 用压控振荡器 VCO 这种电路产生初始脉冲， 可选用 LM331 。输出的信号经过分 频分相电路变成四路相位相差 90°，频率为输入信号四分之一的脉冲信号。分 频分相电路可选用的方法有很多可以采用环形计数器，也可以采用移位寄存器 40194，74LS161 等。但是考虑到超声波电机频率特性随环境变化而变化，一般 采用 CD4046 锁相环芯片作为 VCO 并进行频率自动跟踪。如果利用这种方法进 行调相调速的话，需采用高分频数的芯片才行，这样带来的成本会很高。2）目前随可编程逻辑器件（ CPLD/FPGA ）的发展，可以将锁相环，分频移 相电路集成到一块

22、芯片中， 这样的话就可以将分频数很大程度的增加， 进而很容 易的实现变相调节。也可以使用数字芯片 DSP 通过编程实现两路相位，频率可 以变化的信号，在进行分频移相驱动功率电路。3）近年来发展起来的直接数字频率合成技术（DDS）已经成为了超声波电 机驱动技术的研究重点。 DDS 基本原理是利用奈奎斯特采样定律，经过查表后 把一系列的数字量信号通过 DAC 转换成模拟量信号输出， 控制器控制 DDS 信 号发生单元产生两路独立的正弦信号，两路信号间的相位差可以在0°360°范围内任意调节。DDS技术可以采用专用的DDS芯片，比如AD公司的AD985, 也可以利用 CPLD/F

23、PGA 搭建或 DSP 编程实现。来这种方法具有频率切换时间 短、频率分辨率高、相位变化连续、易实现对输出信号的多种调制等优点。当前超声波电机驱动电路研究的重点在功放逆变电路。 目前驱动电路的设计 大都采用功率半导体器件、开关型逆变电路、高频变压器等现代电力电子技术手 段。使用较多的有推挽式变换电路，隔离型的半桥、 H桥驱动电路。在系统处于机械谐振状态时，超声波电机是容性负载。由于超声波电机在谐 振频率附近工作时，系统呈现容性，一般采用电感进行匹配，抵消静态电容的容 抗分量的影响16。匹配电路的作用有以下三个方面：(1) 阻抗匹配，即通过匹配使驱动电源向电机输出的电功率达到最佳点，把 电机的阻

24、抗变换成驱动电路的最佳负载。(2) 谐振匹配，即通过匹配使驱动电源输出效率最高，这是由于超声波电机呈容性，造成工作频率处的输出电压和输出电流存在相位差，使驱动器输出效率降低。(3) 滤波，由于超声波电机的驱动电源采用开关技术实施功率放大，其信号 输出为方波，因而需要滤除高频杂波，改善输出电压的波形，以免激发出定子的 非工作模态。匹配电路的主要思想是通过加入匹配电路来使超声波电机的定子对外呈现 电阻性。匹配的方法有并联电感、串联电感、电感-电容匹配，T型网络匹配， LLCC匹配等方法。目前，对于超声电机的控制，仅限于速度稳定这一指标。但是，超声电机工 作的稳定性受温度、摩擦损耗或其它外界因素等干

25、扰较大，其中温度的变化对电 机运行稳定性的影响尤为显著。超声电机机体中的压电陶瓷元件对温度也较为敏 感。当电机运行一段时间使机体温度上升后， 电机定子的共振频率会随着温度的 上升而下降，导致开环运行时的电机转速下降，如图6所示。图中Si为超声电机温升前的速度-频率曲线(n/ )， S2为温升后的速度-频率曲线，p和p'为 相应的共振频率。A° |温度升高图6超声波电机在不同温度下的速度-频率曲线由于超声波电机机械谐振频率会随电机温度的改变而变化17，变化规律是： 当温度上升，压电振子的谐振点和反谐振点频率会下移 ;反之，压电振子的谐振 点和反谐振点频率会上移。 由于电机工作在

26、谐振点和反谐振点之间的频率范围内 靠近谐振点时，电机的效率最高， 因此电机的工作频率也要随着温度的升高而进 行相应地降低才行。 所以需要频率自动跟踪方式来进行闭环控制。 所谓的超声电 机的频率自动跟踪， 就是使电机的驱动频率与谐振特性始终保持一定的关系， 以 达到速度稳定的目的。下面是超声电机控制系统中常用的反馈变量 18,19：(1) 孤极电压反馈 :孤极是安装在定子上检测定子振动状态的压电陶瓷， 反映 定子的振幅和频率。 对孤极反馈电压值检测， 可以获得当前定子的谐振频率， 通 过改变电机激励频率跟踪定子谐振频率， 以获得最佳激励效果。 这种反馈形式已 经成功应用在商业化的超声电机中。(2

27、) 相位反馈: 输入电压和孤极反馈电压之间的相位差作为输入 输入电压和孤极反馈电压之间的相位差可以反映电机的工作状态， 所以控制 器若能保证输入电压和孤极反馈电压之间的相位差在一定范围内， 则可以保证超 声电机能够工作在一个稳定的工作状态 ;输入电压与输入电流之间的相位差作为 输入。理由同上述 ;在有补偿电感的驱动电路中，加在补偿电感两侧的电压信号 的相位差作为输入。 理由同前， 由于补偿电感两侧的波形不同， 检测电路的设计 相对比较麻烦，故较少采用。(3) 速度反馈 :用于速度伺服控制系统。 用霍尔测速元件或光栅编码器， 采用 锁相控制的方法实现。(4) 位置反馈 :用于位置伺服控制系统。检

28、测电机输出的角位移。 纵观上述的几种反馈方法， 孤极电压反馈和相位差反馈属于半闭环控制类型， 而速度反馈和位置反馈则属于全闭环控制类型。3 课题研究内容本课题主要是针对环形行波超声波电机的驱动技术进行研究， 主要研究内容 包括以下几个方面：3.1 不同驱动方案控制信号的生成方法目前超声波电机控制信号可以用压控振荡器 VCO 开环驱动，锁相环 PLL 进 行半闭环驱动，数字芯片 DSP 或可编程逻辑器件 CPLD/FPGA 完成脉冲产生以 及分频分相，或 DDS 技术。研究中要对以上方案的变频变相调节方法进行分析 和设计，通过理论分析和仿真分析比较找到一种比较理想的信号生成方法。3.2 功率电路

29、拓扑结构与 PWM 驱动方式对电机驱动性能的影响 研究功率电路的拓扑结构主要是指功率逆变电路的结构， 驱动超声波电机的电压一般都在200V以上，由信号发生器产生的仅仅是TTL电平信号，需要功率放大 电路进行放大才能驱动 USM。并且超声波电机利用逆变电路来实现 PWM驱动 控制。本课题要针对不同的逆变电路结构进行仿真，研究不同逆变电路对超声波电机调速特性和机械特性的影响。研究 PWM方式下调幅，调相，调频等方式的 实现方法。研究PWM和SPWM方式下对于超声波电机的调速特性和机械特性 的影响。3.3电感匹配方法的研究超声波电机属于容性负载并且一般的驱动信号为方波， 所以需要利用电感匹 配的方法

30、来完成阻抗匹配，谐振匹配和滤波的功能。目前匹配的方法有并联电感、 串联电感、电感-电容匹配，T型网络匹配，LLCC匹配等方法。本课题需要针对 不同的匹配方法进行设计，确定参数之后通过电路仿真来研究不同匹配方案对于 超声波电机效率和功率和匹配电路输出波形的影响。3.4孤极反馈对稳定电机工作状态的试验研究针对孤极反馈这种频率跟踪方式进行研究，研究孤极反馈信号的采集方法， 反馈信号和电机速度之间的关系。研究孤极反馈方式下抑制温漂的效果。4课题的研究方案4.1总体方案设计11速度预设值图7超声波电机控制系统框图本课题所研究的控制系统主要的控制对象是超声波电机的速度。针对超声波电机速度的控制，采用如图7

31、所示的控制系统。速度设定量的与反馈信号进行比 较，通过控制器控制驱动电路驱动超声波电机。将超声波电机的驱动电路部分进一步细化， 得出如图8的超声波电机的驱动 框图。由PWM产生电路产生的信号通过功率逆变电路逆变进过阻抗匹配电路滤 波和去容驱动超声波电机运行。由于信号产生电路和功率逆变电路采用幅值不同的电压源,所以需要在两者之间进行电气隔离图8超声波电机的驱动框图由以上的方案可以进一步得出本课题的主要研究流程。 首先明确本课题的目 的是为了实现调频、调相、调压、断续、复合方式下的驱动技术研究，所以就要 对驱动电路的每个部分进行仿真分析，通过分析比较得出比较理想的驱动电路， 之后完成硬件电路的制作

32、、程序的编写以及系统的调试，最后通过实际测试对研 究进行验证。本课题研究的主要研究流程见图 9。图9课题研究流程图课题中所使用的仿真软件为 PSPICE。PSPICE是一款电路通用分析软件，主 要功能是对电路进行模拟和仿真。PSPICE软件具有强大的电路图绘制功能、电 路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。研究的前半部分过程主要就是对驱动电路的仿真分析， 课题的研究需要搭建 出不同方案下的驱动电路，利用史维佳完成的超声波电机 PSPICE等效电路模型 作为负载进行电路仿真，分析不同方案对驱动性能的影响。具体的研究方案在后

33、 面两节中给出。研究的后半部分主要是进行电路硬件平台搭建和软件调试，对超声波电机的动态性能，稳态性能和机械特性进行测试。4.2驱动电路的研究和设计421驱动信号产生方案为了研究超声波电机的不同方式下的驱动性能， 驱动信号需要满足频率，相 位和幅值都可调的要求。能实现以上功能的信号发生方案有很多种，从调相能力 上看利用单独的压控振荡器如 LM555，LM565或锁相环CD4046不能满足相位 连续可调的要求，这种方法通用性差，所以选用如下两种方案进行比较。1利用CPLD/FPGA芯片对控制信号予以实现图10超声波电机驱动电路结构基本的驱动电路框图如图10所示。将信号发生、分频移相以及控制电路等

34、整合到大规模集成电路中，可以利用 CPLD/FPGA产生PWM波，这样提高了信 号的精度与稳定性，调频和调相的实现也相对容易，并使装置相对趋于小型化。2.基于直接数字频率合成技术（DDS）的驱动电路与传统的典型方波驱动电路相比基于直接数字频率合成技术（DDS）的驱动电路具有很大的优势。DDS在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续 性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所 能达到的水平，并且易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程 控，使用相当灵活，因此性价比极高。 所以DDS技术目前超声波电机驱动技术 研究的重点。DDS基本原理是利用奈奎斯特采样

35、定律，经过查表后把一系列的数字量信 号通过DAC转换成模拟量信号输出，其基本的原理结构图如图11所示。从图中可以看出频率控制字决定输出信号的周期，由相位控制字和相位寄存器输出字 的和作为地址，在波形存储器中存储的正弦表查询对应的数字量，相应的数字量 通过DAC转换成模拟量输出。图11 DDS基本原理图DDS技术的具体实现形式有很多，最简单的方案是E2PROM内存储一个周 期的相位幅值信息作为波形存储器，微控制器（一般是单片机）访问E2PROM产 生相应的波形，这种方案实现简单，成本较低，但因为单片机要不断访问 E2PRO M,而单片机的频率本身不是很高，不适合产生高频信号，而且通常单片 机同时

36、要运行其他程序，接收和处理其他信号，所以也不能保证产生信号的稳定 性，故这种方案性能比较差，在实际应用中比较罕见。比较常见的方案大致有两 种，一是采用专用的 DDS器件（如AD985），二是采用通用的可编程逻辑器件 如CPLD, FPGA等。就合成信号质量而言，专用 DDS芯片由于采用特定的集成 工艺，内部数字信号抖动很小，可以输出高质量的模拟信号，而且编程相对简单。 后者可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好 的实用性。但是输出波形的质量较专用芯片要差，而且编程实现相对复杂不易上 手。如果选用DDS专用芯片这种方法，输出信号含有大量的噪声，需要选择合 适的滤波器进

37、行滤波，后接高压运放（如PA85）进行电压放大。但由于没有采用开关功率器件导致驱动电源效率低。如果选用CPLD/FPGA实现DDS，除了上面的方法外，为解决线性功放效 率低的问题还可以在芯片内部对正弦波进行分频，生成PWM波驱动开关功率逆变电路。如图12所示。CPLDfllROMsclk'r1pSPl1i频率、相依、11F讯谊拧制字DDS常号发生11分频电路i 1111ikn-44晡P5XTJ波111TPWM1F认戈芒pwwPWMI图12 DDS实现PWM驱动本课题需要对以上几种的信号生成方法进行深入研究，从调频，调相，调幅的范围，频率，相位分辨率，效率，功率值曲线和转速曲线值以及可靠

38、性和成本 等多种角度进行比较，选择出适合实验室现有超声电机的控制信号生成电路的最 佳方案。4.2.2功率电路拓扑结构的方案目前开关驱动的超声波电机逆变器使用较多的有推挽式变换电路，半桥，H桥驱动电路。推挽式变换电路（图13）:图中功率开关管Q1和Q2由彼此间隔1/2周期的脉 冲驱动，每只开关管的导通时间为半个周期，Q1导通时，输出为负，Q2导通时， 输出为正。推挽式逆变器的优点：所需功率开关管少，通态损耗比较小，由于每相两只 场效应管的栅极驱动信号共地，前置电路结构非常简单，比较适合于低电压供电 的超声波电机驱动器。推挽式逆变器的缺点：高频变压器原边两绕组在一个周期中只有一半的时间 在工作，故

39、变压器的利用率较低；处于截止的开关管漏源极间承受的电压为 2Vcc； 若考虑到高频变压器漏感的影响，漏感存储的能量还会在开关管漏源极间的稳态 截止电压上叠加一个很高的尖峰电压， 所以功率开关管的耐压要求高；各开关管 参数不可能完全匹配，变压器的2个原边绕组也不可能完全对称，因而总会产生 直流偏磁，导致变压器饱和。L«d图13推挽逆变电路的基本拓扑图H全桥驱动电路（图14）:在该电路中，开关管分为 Q1, Q3与Q2, Q4两 组，两组开关管交替导通半个周期。全桥式逆变器的优点：三种电路中，若采用相同电压和电流容量的开关器件， 全桥型电路可以达到最大功率，因此该电路常用于大功率系统中。

40、全桥式逆变器的缺点：电路中要用到四只功率开关管，成本较高，需要四组 彼此绝缘的驱动电路，驱动电路较复杂。wGND图14 H全桥逆变电路拓扑结构IomIH半桥驱动电路（图15）:半桥电路是利用两个电容代替全桥的一个桥臂而 形成的驱动器。半桥式逆变器的优点：与推挽电路相比，半桥变换器中变压器利用率高 ；功率 开关管截止时，承受的漏源电压为 Vcc,所以开关管耐压值要求较低。半桥式逆变器的缺点：电路中，加到高频变压器原边绕组上的电压是电容 C1 或C2两端的电压，当C1或C2经变压器原边放电时，其电压要减小，所以输出 脉冲电压波形的顶部呈倾斜状。图15半桥逆变电路的拓扑结构由于MOSFET的开关速度

41、快，输入阻抗高，驱动电平低等特点，一般超声波 电机的驱动开关器件都采用 MOSFET。一般的MOSFET耐压都在500V以上，同 时开关频率能达到1GHz以上，可以满足超声波电机功率的要求。设计功率逆变电路要考虑的因素有很多，由于的开启电压在4V到10V之间,信号发生器输出信号一般不大于5V，有可能驱动不了 MOSFET,所以要在逆变 电路前面增加前向驱动，可以选择；IR2110驱动电路。另外在设计逆变电路时要 考虑MOSFET是电压驱动型元件，且源极和栅极之间极易被静电击穿，故需特别 注意对MOSFET管的保护。超声波电机驱动所需要的电压大约在 380V左右，禾U用工频220V交流电经过 整

42、流滤波之后作为逆变电路的给定电压，大概 300V左右。这样就需要利用升压 变压器对其进行升压。但是变压器的出现会阻碍装置的小型化， 为了克服这一缺 点，可以采用无变压器式LC谐振升压电路，电路图见图16。通过开关管的通断在 电感和电容之间产生高频振荡，其电压峰峰值可以达到300V以上。R图16无变压器式LC谐振电路本课题需要分析常用开关逆变器结构半桥、全桥、推挽式工作原理和特点，对功率电路进行设计，其中包括变压器的设计。通过Pspice进行电路仿真，从功耗和PWM波的稳定性等角度进行比较，确定一种结构作为驱动电源主功率电路。 与以确定的驱动信号发生电路进行匹配，设计功率电路拓扑结构。4.2.3

43、匹配电路的设计方案匹配电路的主要思想是通过加入匹配电路来使超声波电机的定子对外呈现 电阻性。匹配的方法有并联电感、串联电感、电感-电容匹配，llcc20匹配等方 法。1）并联电感匹配图17并联电感匹配并联电感匹配比较简单，如图17所示。并联电感值L满足下式时，系统呈 纯阻性，阻抗为R。sL(12)1sCd2）串联电感匹配R图18串联电感匹配图18所示为串联电感匹配示意图，L满足下式时系统呈阻性。3）电感电容匹配(13)图19电感电容匹配电感一电容匹配如图19 ,L、C为匹配电感和电容。当L、C满足下式条件 时这个系统呈阻性。(C Cd)R21( s(C Cd)R2)(14)4)LLCC匹配Ls

44、Cs图20 LLCC匹配LLCC电路图见图20,它与传统的驱动电路相比，该逆变器仅在每相电路中 多加了两个电抗元件。与传统的驱动电路相比，该逆变器仅在每相电路中多加了 两个电抗元件。一般电路要满足Ls*Cs=Lp*CdKeff表示超声波电机的有效机电耦合系数，它是综合反映电机压电振子的机 械能与电能之间祸合程度的参数，是衡量匹配电路效果的一个重要标准。 超声波 电机有效机电耦合系数的定义如下。2fs 2爲 1 (于)2(15)fp其中fs表示串联谐振频率，fp表示并联谐振频率。耦合系数大的表示匹配 的效果佳。比较匹配网络对超声波电机定子串联谐振频率和并联谐振频率的影响 对压电陶瓷机电耦合系数的

45、影响和滤波的性能。本课题要结合课题组已经完成的行波环形超声波电机定子等效电路模型参 数，针对不同的匹配方法设计不同的方案，并进行Pspice仿真研究。对不同的匹配电路输入同样的驱动信号，看输出脉冲的波形和幅值好坏，最终确定最佳的 匹配方案以及相应的参数。实测压电振子在使用匹配电感前后的电压波形，得出电感匹配对电机共振性能的影响。4.2.4频率跟踪方法方案设计附在电机定子上的压电陶瓷性能会随着环境温度、 摩擦损耗、预压力、激励 电压、输出负载等因素而变化，从而致使谐振和反谐振频率漂移，导致电机性能 的不稳定，其中温度的影响尤其明显21。频率跟踪的实质就是跟踪电机的某一工作状态。随着温度的改变，电

46、机的某些参数，比如估计反馈电压，电机驱动电压和驱动电流的相位差，孤极电压和一项驱动电压的相位差会发生改变。我们可以应用局部闭环控制来达到跟踪电机工 作状态的功能。实现超声波电机的频率自动跟踪主要有 3 大类方法，1)通过附在电机定子上的孤极反馈电压来反映电机的振动状态 ; 具有孤极 (传感器 )的超声波电机，可以采用孤极电压反馈的方法跟踪频率。 孤极是压电陶瓷片上的一块特殊分区，电机的驱动电压并不直接作用于该分区。 当向电机施加激励信号，逆压电效应使 A、B 两相极化区的定子发生形变。孤极 区与 A 、B 两相极化区被粘附在同一刚性体一定子上， 使得孤极区的压电陶瓷也 发生形变，由于压电效应，

47、 该区的压电陶瓷将产生与激励电压同频的电信号， 信 号的大小与定子振幅的幅值成正比。 而电机转速也与定子振幅成正比， 因此可以 利用孤极反馈信号， 调整驱动频率使定子振幅基本维持不变， 这样就能在恒负载 条件下保持电机速度的稳定。 但是由于孤极反馈电压并不能直接反映电机的转速， 所以这种方法用于速度的精确控制， 其效果不是很理想。 然而这种方法简单可靠， 较容易实现， 在目前仍是频率跟踪技术研究中的重点， 也是实际应用中的主要方 法。2)利用电机的驱动电压、驱动电流等驱动状态。一般由锁相环 PLL 保持移相 电压和电流相位差不变 ,从而保证超声波电机维持原有工作状态不变。基于驱动电压或电流的跟

48、踪方法， 这种方法的主要思想是电机谐振点的漂移 通过驱动电压或电流的变化来体现出来。 建立电压或电流与电机性能的关系， 以 此为依据，实现频率自动跟踪。但是这种方法在实施之前必须进行大量的实验， 并且在实际的操作中有很大的难度， 这种跟踪控制方法很少单独使用， 一般将电 压或电流与其它信号配合。3)可以通过采样孤极电压和一相驱动电压， 整形后由鉴相电路获得对应于两电 压间相位差大小的占空比不同的方波信号，经由低通滤波电路获取一直流电压， 最后由 V/F 转换电路将该直流电压转换为一脉冲信号， 该脉冲信号的频率即正比 于相位差。这样形成的闭环保证了孤极电压和一项驱动电压的相位不变。研究中要对整个

49、闭环系统进行 Pspice 仿真。通过仿真比较开环和闭环系统 的速度稳定性能。研究中需要对谐振点和反谐振点频率的漂移对超声波电机转速 特性的影响进行仿真分析， 建立温度变化导致转速变化的曲线， 并计算出转速变 化的范围。 对各种方案进行仿真研究， 选择出随谐振点变化速度变化最小的一种 方案。实际测出运用孤极反馈和不运用孤极反馈的转速， 温度变化曲线， 并进行 比较分析，得出估计反馈对稳定电机工作状态的影响。4.2.5 超声波电机的调速方案定子表面质点的运动速度 vs2khc V h( )g( , )其中k，hc,均为常数。由上式可见，当行波型超声波电机的结构已经确定， 调节驱动电压V、驱动频率

50、 和两相驱动端的相位差 可以实现超声波电机的调 速。目前超声波电机用的比较多的调速方法主要有以下几种：1. 调压控制，一般通过调节 PWM控制信号的占空比来实现。2. 调频控制，通过调节驱动信号的频率来实现。3. 调相控制，通过调节两相驱动电压的相位差来实现。4正反转脉宽调速，通过调整正反转驱动时间占空比实现。5断续驱动，采用驱动电压的通断控制，其它控制量都固定，使超声波电 机的驱动电压时断时续；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。本课题需要对以上5种调速手段的优缺点和应用场合进行比较， 得出其优缺 点，结合硬件电路设计出它们具体实现的方案。 利用开发出来

51、的驱动器测试不同 调速方案对超声波电机调速性能的影响。4.3超声电机驱动电路实物测试方案图21超声波电机硬件驱动电路测试平台驱动信号在硬件电路完成之后，需要对该硬件电路进行实际测试。测试的主要对象是 超声波电机的速度，输入输出功率和负载转矩。测速采用电机自带的4000线增量码盘，通过PCI总线将速度信号传输到上 位机里进行测速。M法、T法和M/T法是光电编码器常采用的数字测速方法。 M法是在一段规定时间内，用脉冲数来计算转速，实质是测定频率，适于测量 较高的转速。T法是通过测量相邻两个脉冲之间的时间来确定被测转速，实质是测量周期，适于转速较低的场合。M/T法综合了前两种方法的优点，同时记录测

52、速时间内码掀输出的脉冲式个数 Mi,和高频时钟脉冲f个数M2,兼顾高低转速， 具有最佳的综合性能。由于 M 法相对比较简单，对软硬件要求不高，所以选择 M 法测速。功率的测定要用到 WT3000 功率分析仪进行测量, 对于堵在转矩的测量则要 用松下 MSMA042A1C 进行测量, 再将测量结果传输到上位机中, 通过专用软件 得到输出转矩的大小。研究中利用测试平台 （图 21）完成对超声波电机各种调速方式的比较, 包括 动态性能和稳态性能的比较,机械特性的比较。绘制出响应曲线,得出结论。5 进度安排,预期达到的目标2011.5.1- 2011.7.15 查阅相关文献 ,完成开题工作2011.7

53、.16- 2011.9.30 通过仿真和实际测试,对逆变电路,匹配电路,信号生成电 路进行仿真比较,提出驱动器设计的方案。2011.10.1- 2011.12.15 完成驱动器硬件电路的设计, 进行仿真实验, 并开始制板。2011.12.16- 2012.1.31 完成驱动器程序的编写。2012.2.1- 2012.3.31 完成电路板的焊接和电路的调试, 并测试驱动器调速性能。2012.4.1- 2012.6.28 撰写论文及答辩。6 为完成课题已具备和所需的条件和经费课题组史维佳师兄已经完成了对超声波电机 的建模, 实验室已购进 RTWUSM60超声波电机和相应驱动器，计算机一台，功率分析 WT3000，松下 MINAS A 系列伺服电机 MSM