小型化超声波电动机驱动控制器设计
张华，曹祥红
(1河南工业大学，河南郑州450007；2郑州轻工业学院，河南郑州450002)
摘要：介绍了一种超声波电动机驱动控制电路，该电路采用单片机对可调压控振荡器分频的方法获得了超声波电动机工作所需的高频驱动信号，具有控制精度高、输出稳定、便于小型化等优点，测试结果表明驱动控制器性能稳定，足以满足较高精度的定位控制要求。
关键词：超声波电动机；小型化；驱动控制器
0引 言
超声波电动机是一种全新概念的电机，它利用压电陶瓷的逆压电效应，使电能转换成机械振动能量，然后通过摩擦耦合作用使电机定子的振动能量转换成电机转子的转动能量输出。超声波电动机具有低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、运行无噪声、无输入自锁等优点，在非连续运动领域、精密控制领域要比传统电磁电机性能优越。超声波电动机在工业控制系统、汽车专用电器、精密仪器仪表、办公自动化设备、智能机器人等领域有广阔的应用前景，成为机电控制领域的一个研究热点。
超声波电动机是由高频电压驱动的，要发挥超声波电动机出色的控制性能，离不开相应的驱动控制器，因此超声波电动机驱动控制技术的研究越来越受到了国内外学者的重视。目前超声波电动机常采用以下几种控制方法：
(1)调压控制是通过调节驱动信号的幅值来实现。
(2)调频控制是通过调节驱动信号的频率来实现。
(3)调相控制是通过调节驱动信号的相位差来实现。
在驱动控制方面国外已经成功地运用了模糊控制。自适应控制。、滑模控制。等复杂的控制理论。国内也有许多学者在超声波电动机的快速响应和精确定位、模糊控制策略、遗传算法的模糊自适应控制等方面做了深入的探索。这些方法大都采用Pc机或DsP直接控制驱动电路，可以达到较高的控制性能，但成本相对较高。控制器的制造成本在一定程度上限制了超声波电动机在国内的推广应用。
本文利用单片机代替Pc机或DsP，研制r小型化超声波电动机驱动控制器，通过单片机控制驱动电路进行分频控制，实现了所研制的柱体超声波电动机的闭环定位控制，同时有效缩小了控制板面积并且降低了成本，有利于超声波电动机的推广应用。
l驱动控制系统
1 1驱动控制系统功能
超声波电动机驱动频率取决于定子的固有频率。一般定子的固有频率设计工作在超声频段，所以要求驱动电路能够产生高频驱动信号，同时主要达到以下几方面的要求：
(1)输出电压的频率在29～34 kHz范围内可调；
(2)输出两相电压的频率一致，相差为90o；
(3)实现电机的开环正反转控制；
(4)实现电机的开环正反转步进控制；
(5)实现电机的闭环正反转定位控制；
(6)PcB板设计尽可能小。
根据以上定位控制系统的要求，设计了系统原理框图，如图1所示。各部分电路实现的功能分配如下：
调频电路实现电路振荡频率的调整，从而在cPu控制下实现输出控制脉冲的频率调整，保证输出电压的频率在29～34 kHz可调；小键盘实现人机接口，通过按键组合实现电机的开环正反转控制和起停控制；串行接口完成5V到RS232电平的转换，实现单片机与主控计算机的通讯；光电编码器将位置信号反馈给单片机，实现对电机转子位置的闭环定位控制；驱动电路把cPu的TTL电平转换为M0sFET的驱动电平，驱动功率管工作；AT89c205l作为驱动控制器的核心，负责整体的协调与控制。控制板采用了贴片器件和双面布线，使得PcB板面积尽可能小。
1．2逆变主回路
超声波电动机正常工作需要两相相差为90o的高压高频驱动信号，这样才能有效地激励起两相压电陶瓷的振动，保证电机正常运行。目前获得高压交变信号常用的方法主要有两种：一是使用变压器升压，利用电力电子技术将直流电逆变为交流信号来驱动电机，优点是电路易于实现，成本相对较低；缺点是信号的谐波含量可能较大。二是直接对正弦信号进行放大升压得到所需要的高频正弦激励，优点是驱动信号波形为正弦型，谐波含量非常低，但控制电路复杂、成本较高。常用的变压器升压开关逆变型基本驱动电路如图2所示。
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