圆柱形多自由度超声波电动机驱动电路的研究
摘要：根据圆柱形多自由度超声波电动机的工作原理、特点，提出了驱动电路的设计要求。根据此要求提出了一种驱动电路的设计方案，并分析了其原理和特性。针对该设计方案存在的不足，列驱动电路进行了改进，较好地满足了电机驱动和控制的要求。
关键词：多目由度；超声波电动机；驱动；控制；电路
O引言
超声波电动机的驱动技术伴随着超声波电动机的产生、发展而同步发展。超声波电动机的工作原理与传统的电磁电动机不同，其驱动的方法也不同。因此，对超声波电动机驱动技术的研究，既要借鉴电磁电机的方法，更要考虑超声波电动机本身的特点。在单自由度超声波电动机的驱动方而国内同行已经做了大量的、卓有成效的研究工作Il。J。而对多自由度超声波电动机驱动技术的研究起步相对较晚。本文以自行研制的圆柱形多自由度超声波电动机为对象，研究超声波电动机的驱动电路，为该种电机的驱动和控制打F基础。
1驱动电路的要求
圆柱形多自南度超声波电动机的结构和[作原理如图1所示。在三组压电陶瓷元件PzT爿、B、c上分别施加合适的交流电压时，可以激发出定子的三个工作模态：两个二阶弯振模态和一个一阶纵振模态。当两个弯振(在时间、空间相位上均相差90。)合成时，就可以在定子的驱动端面(头部)产生椭圆运动，进而依靠定、转子之间的摩擦，驱使转子绕：轴转动；同理，当一个弯振与“个纵振(在时间、空间相位卜亦均相差90。)合成时，就会驱使转予绕x或y轴转一动。
一般情况下，超声波电动机是依靠超声频段的简谐信号来激励、驱动的，可以通过调节其激励信号的相位、频率和幅值之一来改变其运动状态。幽此，从超声波电动机运动控制的角度来讲，有三种基本控制方法：相位差控制、频率控制和电压幅值控制。相位差控制的优点是能以平滑的
速度变化实现正反转，某些情况下有助于提高速度分辨率，缺点是具有强的非线性。从硬件角度讲，相位差控制需要专门的相位调制电路，具有相调节功能的两路信号发生器比其它控制方法复杂得多。频率控制由于容易实现、能够覆盖整个速度范围，被广泛应用于行波型超声波电动机的控制。但由于这种方法不允许独立地改变三个振动模态的激励频率，因而不能独立地实现对三个方向转速的控制，所以频率控制不适于多自由度超声波电动机。电压控制是通过改变激励电压的幅值来改变振动的振幅，进而改变电机转速的控制方法。电压控制呈现良好的线性性质，能取得良好的控制效果。即使采用经典的控制器，如PID控制器，具有较好的鲁棒性。因此本文将从调节电压幅值角度，设计和分析多自由度超声波电动机的驱动电路。
图1电机的结构组成和工作原理
根据圆柱形多自由度超声波电动机的工作原理、特点及其电压幅值控制的需要，其驱动电路(亦称驱动电源)应满足如下要求：1)能提供满足电机工作频率要求的三路高频驱动信号；2)能独立地调节三路驱动信号的电压幅值；3)能独立地实现三个自由度运动的启动、停止和正反转；4)三路驱动信号之间相位差能保持同相、反相或正交(90。或270。)；5)能与电机匹配，以提高驱动效率。
2驱动电路及其特性
按照圆柱形多自由度超声波电动机驱动电路的上述要求，曾设计和试制了一种驱动电路，其原理如图2所示。这是一个多自由度超声波电动机调压控制电路，由三个相同的电路模块组成三
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