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
图2驰动电路I的三个模块
相控制电路。每相输入方波的频率是相同的，但相位上有差别。根据电机不同的运行需要(运转向)，A、B、c三个模块输入的方波在相位上要么同相、要么反相、要么正交(90。或270。)。司时，希望三个模块的输出“。、“。、即在相位上保持这一关系，而在幅值上可以根据各自的控刳电压M，√、％R、“，，来调整。
下面以模块A为例，分析一下三个模块中各点的工作波型，如图3所示。爿点是占空比为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G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“，。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“。。可见，“。是一个周期信号，其周期r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，就可以得到周期为丁的正弦信号，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Z有关。在其它参数不变的条件下，参数五由控制电压“，。****决定。
在图3中，设爿点的第一个上升沿的时间起点f=O，对％进行泰勒展开，可得到其一阶分量： 
可见，参数正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n／2，且其对应的调节参数为乃。同理，可以得到％的一阶分量，即B模块的输出正弦信号
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。主Llq…lW,‘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)。这与多自由度超声波电动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小足之处。
3驱动电路的改进
为了消除幅值控制和相位控制的耦合现象，列驱动电路进行改进。改进后的电路的一个模块(如爿相)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，使三个模块中的六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日点的波形为一个对称的三角波。三角波的转
图5驰动电路II中一个模块各点的工作波型
折点正好与爿点方波的上升沿和下降沿对应。这样，通过调整控制电压“。即可得到n。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f=O对Ⅳ。进行泰勒展开，得到其一阶分量：其相位为Ⅱ，相位是一个常数，与Z无关。
可见，参数正只调节了输出正弦信号的幅值，不会影响到其相在E o bj此，对于三个模块，分别调节其控制电压““、“∞、“；c，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电影响，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。
参考文献
[1] 金龙旋转型压电行波超声马达的研究南京：南京航空航天大学 1997
l 2l 韩匮京薄型压电超卢电机的研究南京南京航空航天大学博士后研究工作报告1999
l 3l 魏守水超卢马达的驱动及其控制技术南京：南京航空航天大学博士学位2000
[4] 张铁明行波型超声电机伺服控制系统的研究南京南京航空航天大学博士后研究上作报告2000
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