调频调幅调相的超声波电动机控制电路
史敬灼
(河南科技大学，河南洛阳471003)
摘要：针对超声波电动机工业化规模应用的需求，给出了一种可调频调幅稠相的超声波电动机低成本驱动控制电路，分析了其结构及工作原理，并进行了实验验证，效果良好。
关键词：超声波电动机；控制电路；Lc谐振
中图分类号：TM35 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2008)01—0046一04
O引 言
超声波电动机是一种新型的运动控制执行元件，具有不同于传统电机的工作原理与结构[1,2]。与传统电机相比，超声波电动机有结构简单，不需要线圈，重量轻，驱动部件形状灵活，无噪声，无磁场辐射干扰，功率质量比大，微位移直接驱动等诸多优点。这些优点使得超声波电动机在航空航天、机器人、精密加工设备、医疗仪器、生物工程设备等高端运动控制领域及家用电器、汽车电子等普通运动控制领域都有着广泛的应用前景[3,4]。
目前，超声波电动机驱动控制电路结构较为复杂[1-4]，一定程度上限制了其工业化应用。本文提出了一种全功能型的超声波电动机低成本驱动控制电路，该电路输出驱动信号的频率、幅值、相位均可调，可作为一种通用驱动电路应用于不同需求场合。
下文给出了电路结构，分析了工作原理，并进行了实验验证，效果良好。
1调频调幅调相的超声波电动机控制电路
图1为本文所述超声波电动机驱动控制电路的基本结构框图。图中开关器件(MOSEET)连接为半桥结构，将直流电压转换为高频方波驱动电压，施加于由串联匹配电感与超声波电动机中的容性压电陶瓷片构成的Lc谐振电路。串联匹配电感可以有效地滤除方波驱动电压中的高频谐波成分，实现近似的正弦波驱动。
这里，串联匹配电感值的设计可以有两种不同的方法。一是以提高超声波电动机端电压为目的，设计串联匹配电感值，使得Lc电路在超声波电动机工作频率发生谐振。即电感L取值为：
式中：f为超声波电动机工作频率，c为超声波电动机一相的等效电容。通常超声波电动机工作频率都不是一个确定的值，而是在靠近超声波电动机机械共振频率的一个小范围内变化的；用来计算电感值的工作频率数值，可取为超声波电动机机械共振频率值。
分析Lc谐振电路可知，当Lc电路工作在其谐振频率时，超声波电动机(容性)端电压并非其可能达到的****值；该****值出现在略低于谐振频率的工作点。为了充分利用Lc谐振的升压作用提高超声波电动机端电压，可以取电感为小于式(1)计算值的某一数值，具体数值取决于电机、电感参数及其分布参数。
采用上述方法设计串联匹配电感值，将使得LC电路工作在其谐振状态附近。超声波电动机两相的等效电容不会完全一致；而串联匹配电感的绕制也存在许多非理想因素，使得实际电感值与计算值(期望值)有差别；工作过程中，电机等效电容和匹配电感的大小也会随环境因素发生变化。这些原因使得两相Lc电路的工作状态不一致，导致超声波电动机两相端电压幅值不一致。同时，Lc电路的作用，使电机端电压的相位与施加于Lc电路两端的驱动电压相位不一致，即存在相移。而两相Lc电路的工作状态不一致，在导致超声波电动机两相端电压幅值不一致的同时，也会导致两相相移不一致，使得电机端实际驱动电压的相位差与期望值不同。
幅值偏差，尤其是相位偏差，增加了超声波电动机控制系统前向通道中的控制非线性，使得控制进一步复杂化。如果是采用手动调节，这些非线性因素也会增加调节难度。
为了避免上述问题，串联匹配电感值的设计可以采用另一种方法。分析Lc谐振电路的幅频、相频特性可知，在Lc电路谐振频率附近，其幅值和相移的变化率大。而在偏离谐振频率较远的区域，其幅值和相移的变化率要小得多。如果设计串联匹配电感的取值，使得LC电路工作在偏离其谐振状态较远的区域，那么，即使两相Lc电路的谐振频率不同、工作状态不一致，所导致的两相端电压幅值、相位偏差也会小得多。通常，这样的电感值可以通过下式计算得到：
采用上述方法设计串联匹配电感值，将使得Lc电路工作在偏离其谐振状态的工作区域。由此带来的一个问题是，Lc电路的升压作用将明显减弱。
不论采用上述两种方法中的哪一种来设计串联匹配电感，都不足以保证超声波电动机端电压达到需要的幅值。这一方面是由于电机、电感的分布参数使得Lc电路的品质因数不会很高，Lc谐振升压作用有限；另一方面是由于超声波电动机驱动电路输入电压通常为直流低压，例如本文所述电路的输入电源电压为12 V(Dc)，以要求驱动电压峰峰值600 V的超声波电动机为例，其升压比要达到50。由于上述两方面的原因，仅由Lc谐振电路升压，通常不能保证输出足够幅值的驱动电压。
因此，本文电路设计中加入了Boost升压电路，一方面，弥补Lc电路升压的不足，保证超声波电动机的正常运行。另一方面，可以实现幅值调节。图1的驱动电路中包含两个Boost升压电路单元，分别供给A、B两相驱动电压，以提高控制灵活性。
B00st升压电路单元的原理图如图2所示。由通用PwM发生器芯片TL494给出频率固定、脉宽可调的PWM驱动信号，经专用MOsFET驱动芯片IH4427放大，驱动Boost电路中的M0sFET工作，将输入电源电压比提升为Vccp对于小功率应用场合，由于MOSF砸T开关电压与电流均较小，MOSFET可以直接由TL494输出驱动，或用三极管推挽驱动，不需要专门的驱动芯片。
B00st升压电路中，PWM驱动信号脉宽设置为电位器手动调节(图2中电阻R1)，这样可以使该电路适合于不同超声波电动机的实验研究。如果超声波电动机固定，B00st电路输出电压幅值也就可以确定，可以由BO0st电路输出端引回反馈到T1494脉宽调节比较端，构成闭环结构。
Boost升压龟路的输出电压Vccp做为直流母线电压，直接作用于Lc谐振电路中的MOsFET(参见图5)，用来提高电机端电压值。电路其它部分的电源仍为输入电源电压Vcc，与Vccp无关。
对于两相行波超声波电动机，图1中的PgWM发生单元产生两路互差90。的PwM信号，经相位调节、分频等环节，生成两相四路PwM控制信号，再经信号放大环节驱动开关器件动作。
图3给出了驱动电路中PwM发生单元的原理图，由T1494实现。TL494的工作频率可由下式近似确定：
图3中，R11为可调电位器。由式(3)可知，调节R11可使T1494输出适当频率的PwM信号。图3电路中，TL494输出信号的脉宽设定为****值。
两相超声波电动机的驱动需要两相四路互差90。的PwM控制信号，上述图3电路输出的是两路互差180。的PwM信号，这两路信号需要分别通过二分频电路来生成两相四路互差90。的PWM信号。
二分频电路是一种基本数字电路，通常由D触发器构成。图4给出了一相(A相)PWM信号的二分频电路原理图。图中芯片CD4013为双上升沿D触发器.
图5给出，二分频电路的时序图。由图5可以看出，二分频电路输出信号的占空比固定为百分之50，频率为TM94输出信号频率的1／2。调节图3中的R11,就可以调节PWM删控制信号的频率。对于不同的超声波电动机，可以选择合适的R、c(图3中的R11,R12和C7)数值使频率可调范围与超声波电动机的需求相适应。
如果B相PwM信号的二分频电路同样采用图4所示结构，则A、B两相二分频电路互相独立。考虑电路卜电开始工作时刻的电路状态。此时，两个D触发器的输出状态都不确定，输出Q可能是高电平，也可能是低电平。而且，此时图3的PwM发生单元中，T1494给出的两路PwM控制信号的先后次序也不确定，可能是PwMl在先，也可能是PwM2在先。分析图5可知，由此将导致两相分频电路输出的两相PwM控制信号的相位关系不确定。一次上电得到的是PwMAl超前PwMBl信号90。(如图5所示)，下一次上电就可能是PWMAl滞后PWMBl信号90。。
PwMAl与PwMBl信号之间的超前、滞后关系，对应于电机的正转或反转。它们之间的相位关系不确定，也就意味着每次驱动电路上电后，电机的转向不确定。这样的驱动电路是没有实用价值的。为解决这一问题，必须在4、詹两相二分频电路之间建立联系，形成约束关系。
图6给出了月相PwM信号的分频电路原理图。图中分频D触发器的输入D信号不是来自于其反向输出，而是来自于A相分频D触发器的输出信号PwMAl、PgMA2。当PwMAl作为B相分频D触发器的输入D信号，将保证PwMAl超前Pg，MBl信号，如图7所示，对应于电机正转；当PWMA2作为B相的D信号，则使PwMAl滞后PwMBl信号，对应于电机反转。Pwml和PwM42之间的选择，亦即电机正反转的控制，由图6的拨码开关S2实现。
前面已经分析了PwM发生单元和分频电路。由上述分析可知，分频电路给出的两相PwM信号之间的相位差可以是+90。或-90。，不能任意调节：为了实现对相位差的调节，在PwM发生单元与分频电路之间，加入了如图所示的调相环节。图8为A相的调相电路，B相与之完全相同：
相位调节是通过Rc电路实现的。图8中，R15,R16与C8构成Rc充电回路，当PwM发生单元的输出信号PwMl为高电平时，对C8充电，PwMll信号幅值逐渐上升。当PwMl跃变为低电平时，C8通过二极管D3快速放电，PwMll信号幅值迅速下降。这样反复进行充放
电，得到的PwMll信号为如图9所示的准锯齿波。该信号连接到图4的分频电路，作为D触发器的时钟输入。因为只有当输入信号幅值高于某一特定值时，才会被认为是高电平，所以图8电路的作用就是将PwMI信号的上升沿后移了一定角度。调节电位器R16，可以改变电容充电速率，亦即可以调节相位。
分频电路给出的两相四路PwM控制信号，经信号放大环节驱动开关器件动作，输出适当的电压驱动超声波电动机旋转。
图10给出了两相Lc驱动电路的原理图。Lc谐振电路是一种基本的电路形式，其工作原理不再详述。图10中MOSFET的驱动使用了专用驱动芯片IR2110。
2实验结果
上述设计已成功应用于超声波电动机驱动控制，图11给出了超声波电动机驱动电压实测波形。使用该电路可以对超声波电动机的开环、闭环控制进行研究。实践证明，该设计实现方便，性能可靠。
3结语
本文针对超声波电动机工业化规模应用的需求，提出了一种全功能型的超声波电动机低成本驱动控制电路，该电路输出驱动信号的频率、幅值、相位均可调，可作为一种通用驱动电路应用于不同需求场合。本文给出了电路结构，分析了工作原理与设计方法，并进行了实验验证，效果良好。
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