摘要：根据圆柱形多自由度超声电机的工作原理和特点，设计了一种新型驱动电路分析了其原理和特性。驱动电路特点是：用积分电路代替微分电路，消除了幅值和相位的耦合，较好地满足了电机驱动和控制的要求，有一定实用价值。
　　关键词：多自由度；超声电机；驱动电路；原理；特性；实验

      0引  言

      对超声电机驱动技术的研究，既要借鉴电磁原理电机的方法，更要考虑超声电机本身的特点。
　　在单自由度超声电机驱动方面，国内同行已经做了卓有成效的研究工作，而对多自由度超声电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电机为对象，研究并提出一种新型超声电机驱动电路。

　　1驱动电路要求

      圆柱形多自由度超声电机的结构和工作原理如图l所示。在三组压电陶瓷元件PZT A、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，即两个二阶弯振模态和一个一阶纵振模态。当两个弯振合成时，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z轴转动；同理，当一个弯振与一个纵振(在时间、空间相位上亦均相差90°)合成时，就会驱使转子绕x或y轴转动。
　　从超声电机运动控制的角度来讲，有相位差控制、频率控制和电压幅值控制三种基本控制方法。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，具有相位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电机的控制。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电机。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，也具有较好的鲁棒性。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电机的驱动电路。

　　根据圆柱形多自由度超声电机的工作原理、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驱动电路特性

      图2所示为一个多自由度超声电机调压控制电路；由3个相同的电路模块组成三相控制电路(图中列出一相)，每相输入方波的频率是相同的，但相位上有差别。
　　模块中各点的工作波型如图3所示。A点是占空比为50％的方波输入。输入后分成两路，两路的相位差为180°。R1和R2提供一个直流偏置电压．

方波信号经过电容c1微分后，得到B、c两点的电压波形。这两个波形经过两个比较器与控制电压uia比较，得到两列方波D和E，用它们来驱动两个场效应管的栅极。场效应管工作在开关状态。最后得到的输出波形为ua可见，uA是一个周期信号。其周期T与该模块输入方波的周期相同。这个周期信号再经过匹配电感(图中未画出)后，就可以得到周期为T的正弦信号，用它来激励电机定子的压电陶瓷片。而该正弦信号的幅值和相位均与参数T1有关。在其它参数不变的条件下，参数T1由控制电压uiA****决定。

　　在图3中，设A点的第一个上升沿的时间起点t=0，对Ua进行泰勒展开，可得到其一阶分量：

　　由上式可知，一阶分量的幅值为：

　　相位为：

　　可见，参数T1既调整了输出正弦信号的幅值，也影响到信号的相位。
　　对于另一模块，如模块B，设它的输入方波比模块A的输入方波超前π／2，且其对应的调节参数为T2同理，可以得到uB的一阶分量，即B模块的输出正弦信号：

　　其幅值和相位分别为：

　　所以，uA1和uB1的相位差为(当T1≠T2时)：

　　由上面分析可以得到如下结论：对于图2所示的驱动电路，通过调节各相的输入控制电压，可以实现各相输出正弦驱动信号的幅值控制。与此同时，也影响了它们的相位，致使两相驱动信号之间的相位差不能保持常值(如正交、同相或反相)。这与多自由度超声电机调压控制的要求是不符合的，使调速规律变得复杂。这就是上述驱动电路的不足之处。
　　3驱动电路改进

       为了消除幅值控制和相位控制的耦合现象，对驱动电路进行改进。改进后的电路的一个模块(如A相)如图4所示。

　　与图2不同的是把微分电路改成积分电路。其波形变换的情形如图5所示。调节积分电路，使3个模块中的6个积分电路的特性一致。同时调整其积分常数，使它在给定的输入方波的频率下，B点的波形为一个对称的三角波。三角波的转折点正好与A点方波的上升沿和下降沿对应。这样，通过调整控制电压uiA即可得到uA的波形，如图5所示。

　　同理，以A点的第一个上升沿的时间起点t=0对uA进行泰勒展开，得到其一阶分量：

　　其幅值为：

　　其相位为π，相位是一个常数，与T1无关。
　　可见，参数T1只调节了输出正弦信号的幅值，不会影响到其相位。因此，对于3个模块，分别调节其控制电压uiA、uiB、uiC、可以对三路正弦输出信号的幅值分别进行独立调节而不会产生相互影响，它们之间仍维持所需的相位关系(即正交、同相或反相)。也就是说，改进后的驱动电路消除了幅值和相位的耦合。
　　图6为电机的驱动与控制系统。利用该系统对改进前、后的驱动电路(即图中的驱动器)进行了电压调速的驱动及控制试验。实验表明，若采用微分电路，由于幅值信号与相位信号的耦合，虽然电机可以运行，但调压的同时相位发生改变，电机的转速并不与驱动电压正比，甚至出现电压调速失灵、增加驱动电压情况下电机转速不增反降的现象，使得电压调速不能正常实现。采用改进后的积分电路消除了这一影响。电机可正常运行，电机的转速基本上与驱动电压成正比。

　　4结语

       通过对原来设计的三自由度超声电机驱动电路的分析可知，当A、B、c 3个模块输入的方波在相位上为同相关系时，3个模块的输出uA、uB、uC、在相位上并不能保持这一关系。通过对3个模块的输出进行分析可知，这主要是由于其一阶分量中，相位是参数T1的显函数。在采用积分电路代替微分电路后，3个模块的输出一阶分量的相位不包含参数T1，从而避免了相位漂移问题。相应的驱动控制实验也验证了上述结论。