一種超聲波電動機閉環驅動電路的制作方法

專利名稱：一種超聲波電動機閉環驅動電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲波電動機閉環驅動電路。
背景技術：
超聲波電動機是一種新型的運動控制執行兀件，具有不同于傳統電機的工作原理與結構。超聲波電動機是利用壓電材料的壓電效應，靠摩擦力推動轉子或動子運動的，與傳統電機相比，超聲波電動機有結構簡單，不需要線圈，重量輕，驅動部件形狀靈活，無噪聲，無磁場輻射干擾，功率質量比大，微位移直接驅動等諸多優點。這些優點使得超聲波電動機在航空航天、機器人、精密加工設備、醫療儀器、生物工程設備等高端運動控制領域及家用電器、汽車電子等普通運動控制領域都有著廣泛的應用前景。超聲波電動機需要特殊的電信號激勵，其運行離不開驅動電路，超聲波電動機及其驅動電路一起構成超聲波電動機運動控制系統，該系統的性能在很大程度上取決于驅動電路的性能。現有的超聲波電動機閉環驅動控制電路結構較為復雜，成本較高，一定程度上限制了其工業化應用。

發明內容
本發明的目的是提供一種超聲波電動機閉環驅動電路，用以解決現有超聲波電機閉環驅動電路結構復雜、成本較高的問題。為實現上述目的，本發明的方案是:一種超聲波電動機閉環驅動電路，包括A相和B相PI控制器、A相和B相PWM信號發生器、A相和B相驅動電壓幅值反饋測量電路、分頻調相電路、功率放大電路和A相和B相推挽驅動電路，所述A相、B相PI控制器根據給定電壓幅值信號和所述A相、B相電壓幅值反饋測量電路輸出的A相、B相電壓幅值反饋信號分別輸出對應的控制信號給A相、B相PWM信號發生器,所述A相和B相PWM信號發生器分別輸出占空比可調的方波信號，經過分頻調相電路分頻移相，形成四路驅動信號，再由功率放大電路放大后送入相應的A、B相推挽驅動電路，驅動電機正反轉。所述分頻調相電路包括一個雙向移位寄存器和四個與門，雙向移位寄存器的相應輸出分別與A、B相PWM信號發生器輸出信號經過對應與門相與，形成所述四路驅動信號。所述雙向移位寄存器為4位雙向移位寄存器，其信號輸出端Q0、Q2分別與A相PWM信號連入用于輸出A相驅動控制信號的與門芯片信號輸出端Q1、Q3分別與B相PWM信號連入用于輸出B相驅動控制信號的與門芯片。所述A相、B相PWM信號發生器由TL494芯片構成，且共用一個時鐘信號，所述TL494芯片內置有運算放大器，所述A相、B相PI控制器分別由各自的阻容電路與各自TL494芯片中的一個運算放大器組成，所述電壓幅值反饋信號連入所述運算放大器的同相輸入端，所述電壓幅值的給定值信號連入所述運算放大器的反相輸入端。所述4位雙向移位寄存器的一個相位控制引腳連接選擇開關，其時鐘引腳連接A相PWM信號，所述選擇開關還連接所述4位雙向移位寄存器的復位引腳。
所述推挽驅動電路由MOSFET和變壓器組成。所述選擇開關為撥碼開關。本發明達到的有益效果:本發明采用A相、B相驅動電壓幅值反饋信號和給定的電壓幅值信號作為A相、B相PI控制器的輸入，A相、B相PWM信號發生器采用專門的PWM調制電路芯片，兩芯片共用一個時鐘信號，使得產生的A相、B相PWM信號具有相同的頻率，PWM調制電路芯片內置的運算放大器和該運算放大器對應的輸入引腳連接的阻容電路組成PI控制器，A相、B相PI控制器中阻容電路并不相同，使得A相、B相脈沖占空比可以根據各自的需要進行調節，PI控制器通過調節PWM脈沖信號的占空比來調節A相、B相驅動電壓的幅值，實現了超聲波電機驅動電壓幅值的閉環控制，電路結構更加簡單，降低成本。PWM調制電路芯片內置的振蕩器對應的輸入引腳連接有一個滑動電阻，用以調節輸出的PWM信號的頻率，可以根據本發明超聲波電機對驅動電壓頻率的要求，調整滑動電阻，使輸出的PWM信號頻率與本發明超聲波電機要求的頻率相匹配，工作過程更加可靠。


圖1是本發明超聲波電機閉環驅動電路結構框 圖2是本發明A相PWM信號發生器；
圖3是本發明B相PWM信號發生器；
圖4是本發明分頻移相電路；
圖5是本發明分頻信號實測波形；
圖6是本發明A相PWM信號功率放大器；
圖7是本發明B相PWM信號功率放大器；
圖8是本發明推挽驅動電路和驅動電壓幅值反饋測量電路。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。如圖1，A、B兩相的驅動電壓幅值測量電路輸出的信號，分別反饋至各自PI控制器的輸入端，與給定值相減得到控制誤差作為各自PI控制器的輸入，從而構成A相與B相電壓幅值的閉環控制。推挽式驅動電路單元的工作，需要作用于其中電力電子器件的PWM控制信號，本實施例中，PWM控制信號由A相、B相PWM信號發生單元產生，A、B相PWM發生單元各自產生一路PWM信號，PWM控制信號的頻率決定驅動電路輸出交流驅動電壓的頻率，PWM控制信號的脈沖占空比決定驅動電路輸出交流驅動電壓的幅值大小。對于兩相行波超聲波電動機的推挽式驅動，每相需要兩路互為反相的PWM信號，用于驅動一相推挽式電路單元中的兩個功率開關管，每一相推挽式驅動電路需要兩路PWM控制信號，兩相共需要四路PWM控制信號，因此上述產生的PWM信號還需經過分頻電路單元進行分頻，同時，分頻電路單元還兼具移相功能，使得該單元輸出的兩相PWM信號互差90°，分頻移相單元輸出的四路PWM信號，經信號放大環節進行功率放大，送入推挽式驅動電路單元，實現對電力電子器件開、關動作的控制。為保證超聲波電機的正常工作，其兩相交流驅動電壓應具有相同的頻率，本發明產生的這兩個PWM信號，頻率相同，相位相同，僅脈沖寬度(占空比)不同，分別與各自的驅動電壓幅值要求相對應。如圖2，A相PWM信號發生器采用TL494芯片來產生PWM信號，與Ul (TL494)的CT弓丨腳相連的電容C2和與RT引腳相連的R2、R3，用來設定TL494輸出PWM信號的頻率:
f 11
' (R2 - R3)C:
設定R3和C2的大小可以滿足不同類型的超聲波電機對驅動電壓頻率的要求，通過可調電阻(電位器)R2來調節輸出PWM信號的頻率，可以根據電機對頻率調節范圍的要求及R3的大小，選定R2的阻值。Ul (TL494)內含兩個運算放大器,其lin+、lin-和2in+、2in-引腳分別是這兩個運算放大器的輸入端，本實施例中，lin+、lin-引腳對應的內置運算放大器被用來與R20、R21、R22、R23、R24、C9元件一起，構成A相PI控制器。UKTL494)的FB引腳是其內含運算放大器的輸出端，R24與C9并聯連接于運算放大器的反相輸入端(Iin-引腳)與輸出端(FB引腳)之間，A相反饋電壓幅值測量信號UAFB從運算放大器的同相輸入端(Iin+引腳)經電阻R20引入，電壓幅值的給定值信號UREF經電阻R23引入運算放大器的反相輸入端，Ul (TL494)的FB引腳作為A相PI控制器的輸出信號，用來調節其輸出PWM信號的占空比，進而實現對超聲波電機驅動電壓幅值的控制。本實施例中，電壓幅值的給定值信號UREF是由電阻R21和電位器R22對電源電壓Vcc分壓得到的，可手動調節電位器R22以得到不同的電壓幅值給定值。其他實施例中，UREF可來自上位機，亦可來自其它形式的輸入。如圖3，U2的CT引腳直接與Ul的CT引腳相連，U2的RT引腳則連接U2的參考電壓源輸出端(REF引腳，電壓固定為5V)。這樣，U2與Ul共用時鐘信號，使A相、B相信號發生器輸出的PWM信號具有相同的頻率、相同的相位，而PWM信號的脈沖寬度(占空比)則根據兩相各自的需要分別進行調節，具有不同值，這就在保證電機正常運行的前提下，實現了兩相PWM占空比的各自單獨調節，使得電機兩相驅動電壓的幅值可以各自單獨地進行調節。與Ul相同，本實施例中，U2的lin+、lin_引腳對應的內置運算放大器被用來與R25、R28、R29、ClO 一起，構成B相PI控制器。R29與ClO并聯連接于運算放大器的反相輸入端與輸出端之間，B相反饋電壓幅值測量信號UBFB從運算放大器的同相輸入端經電阻R25引入。電壓幅值的給定值信號UREF經電阻R28引入運算放大器的反相輸入端。本實施例中，B相PI控制器的定值信號UREF與A相PI控制器的UREF是同一信號，以使超聲波電機兩相具有相同的驅動電壓幅值，從而使電機保持良好的工作狀態。如圖4，A相推挽式驅動電路由MOSFET器件Ql、Q2與變壓器Tl構成，B相推挽式驅動電路由MOSFET器件Q3、Q4與變壓器T2構成，兩相推挽式電路單元的輸出直接連接至輸出接口 J2，J2與超聲波電機相連，實現對超聲波電機的驅動控制。由于驅動超聲波電機的交流電壓幅值通常為數百伏，需要降壓才能連接到電源電壓為低壓的控制器。本實施例中，芯片電源電壓僅為12V，圖4中，R12、R13、R14構成對A相驅動電壓的分壓電路，測量電壓值由電位器R13的滑動端引出，從而實現對驅動電壓的降壓處理，且降壓比例可以根據需要，用電位器R13進行調節。這個分壓得到的低壓信號，仍然是有正有負的交流信號，還需通過二極管D1、電容C7構成的整流電路進行整流，才能得到可以反饋回控制器的A相反饋電壓信號UAFB，與電容C7并聯的R15，用來為C7提供放電回路。這個反饋信號UAFB接到A相PI閉環控制器的輸入端，與給定值進行比較，得到誤差量值，才能進行閉環控制。同理，電阻R16、R17、R18構成對B相驅動電壓的分壓電路，二極管D2、電容C8構成其整流電路，R19用來為C8提供放電回路，最終得到B相反饋電壓信號UBFB，UBFB接到B相PI閉環控制器的輸入端。如圖5，本實施例的分頻移相電路由4位雙向移位寄存器U4 (⑶40194)、或非門芯片U3 (CD4025)、與門芯片U5 (CD 4081)及撥碼開關SI構成。A相PWM信號發生電路的輸出信號PWMl作為U4 (⑶40194)的時鐘輸入信號(U4的11腳)，U4的輸出Q0-Q3 (12、13、14、15引腳)為四路占空比25%、互差90°的方波信號。本實施例中，QO和Q2作為超聲波電機A相的驅動控制信號，Ql和Q3作為B相的驅動控制信號。CD40194有雙向移位控制功能，通過設置U4的9、10弓丨腳S0、SI為高電平或低電平，可以改變輸出信號Q0-Q3的相位關系。當9、10引腳S0、S1的狀態依次為高、低電平，則⑶40194對串行正向移位；當9、10引腳S0、S1的狀態依次為低、高電平，則⑶40194串行反向移位。以Q0、Q1為例，正向移位時，QO超前Ql信號90° ;反向移位時，QO則滯后Ql信號90°。由超聲波電機驅動原理可知，Q0-Q3相位關系的變化，對應于電機的正、反轉。由此，利用CD40194的雙向移位功能，就可以實現對電機轉向的控制。這就在分頻的同時，實現了移相功能，得到了適合于超聲波電機驅動相位要求的PWM信號。U4的9引腳SO的高電平或低電平，由撥碼開關SI手動設置，并通過三輸入或非門芯片U3C (⑶4025)對SO取非，得到U4的10引腳SI的電平。U4的2、7引腳DSR、DSL分別用來提供⑶40194進行串行正向、反向移位的輸入信號。將U4的輸出信號Q0、Q1、Q2連接至三輸入或非門芯片U3B (⑶4025)三個輸入端，或非門的輸出連至U4的2引腳DSR，將U4的輸出信號Q1、Q2、Q3連接至三輸入或非門芯片U3A(⑶4025)三個輸入端，或非門的輸出連至U4的7引腳DSL，保證了利用⑶40194的移位功能實現四分頻。兩位撥碼開關SI的一位用來設置S0，另一位用來設置U4的I引腳MR的狀態。U4的I引腳MR是該芯片的復位引腳，該引腳輸入低電平，則芯片復位，所有輸出信號Q0-Q3均置為低電平，后面的推挽式驅動電路單元不工作，不輸出驅動電壓，超聲波電機因為無驅動電壓而停轉。所以，兩位撥碼開關SI的這一位是用來控制電機是否工作的。經U4進行四分頻可得到Q0-Q3四路信號。這四路信號的相互相位關系符合超聲波電機兩相推挽驅動電路的需求，但它們的占空比固定為25%，以Q0、Ql為例，分頻后的信號波形如圖6所示。固定的占空比不能實現驅動電壓幅值的閉環控制，必需使得它們的占空比能夠在A相、B相PI控制器的調節作用下連續變化，即Q0-Q3四路信號中，用作超聲波電機A相的驅動控制信號的QO和Q2，應具有和Ul的輸出信號PWMl相同的占空比；作為超聲波電機B相的驅動控制信號的Ql和Q3，應具有和U2的輸出PWM2相同的占空比。這一功能，由二輸入與門芯片U5 (⑶4081)實現，QO信號與PWMl連入U5A的兩個輸入端，Q2與PWMl連入U5B的兩個輸入端，在U5A和U5B的輸出端各輸出一路占空比與PWMl相同的PWM信號。同理，Q1、Q3信號分別和PWM2相與，在U5C和U 的輸出端各輸出一路占空比與PWM2相同的PWM信號，PWMl和PWM2的占空比不超過25%。這樣，就得到了四路符合超聲波電機驅動要求的PWM信號。
數字集成電路的輸出信號，通常不具有控制電力電子器件所需的足夠大的功率，所以，在將上述四路PWM信號施加于MOSFET柵極之前，還需要對這四路PWM信號進行功率放大，如圖7，本實施例的A相功率放大電路采用MOSFET專用驅動芯片IR4427，U6的輸入引腳2、4分別連接U5A和U5B的輸出端，并在U6的輸出引腳7、5得到功率放大之后的PWM信號，這兩個PWM信號經電阻R8、R9限流后施加于A相推挽式驅動電路的兩個MOSFET器件Q1、Q2的柵極。與U5A和U5B輸出的信號相比，U6輸出的兩個PWM信號的高、低電平的電壓大小相同，僅僅是信號功率增大，即可提供的電流大幅度增加，滿足MOSFET柵極驅動要求。如圖8，B相PWM信號功率放大電路也采用IR4427芯片，同A相PWM信號功率放大電路一樣，U7的輸入引腳2、4分別連接U5C和U5D的輸出端，在引腳7、5得到兩路輸出信號，分別經電阻R10、R11限流后施加于B相推挽式驅動電路的兩個MOSFET器件Q3、Q4的柵極。
權利要求
1.一種超聲波電動機閉環驅動電路，其特征在于，包括A相和B相PI控制器、A相和B相PWM信號發生器、A相和B相驅動電壓幅值反饋測量電路、分頻調相電路、功率放大電路和A相和B相推挽驅動電路，所述A相、B相PI控制器根據給定電壓幅值信號和所述A相、B相電壓幅值反饋測量電路輸出的A相、B相電壓幅值反饋信號分別輸出對應的控制信號給A相、B相PWM信號發生器，所述A相和B相PWM信號發生器分別輸出占空比可調的方波信號，經過分頻調相電路分頻移相，形成四路驅動信號，再由功率放大電路放大后送入相應的A、B相推挽驅動電路，驅動電機正反轉。
2.根據權利要求1所述的超聲波電動機閉環驅動電路，其特征在于，所述分頻調相電路包括一個雙向移位寄存器和四個與門，雙向移位寄存器的相應輸出分別與A、B相PWM信號發生器輸出信號經過對應與門相與，形成所述四路驅動信號。
3.根據權利要求2所述的超聲波電動機閉環驅動電路，其特征在于，所述雙向移位寄存器為4位雙向移位寄存器，其信號輸出端QO、Q2分別與A相PWM信號連入用于輸出A相驅動控制信號的與門芯片信號輸出端Q1、Q3分別與B相PWM信號連入用于輸出B相驅動控制信號的與門芯片。
4.根據權利要求1所述的超聲波電動機閉環驅動電路，其特征在于，所述A相、B相PWM信號發生器由TL494芯片構成，且共用一個時鐘信號，所述TL494芯片內置有運算放大器，所述A相、B相PI控制器分別由各自的阻容電路與各自TL494芯片中的一個運算放大器組成，所述電壓幅值反饋信號連入所述運算放大器的同相輸入端，所述電壓幅值的給定值信號連入所述運算放大器的反相輸入端。
5.根據權利要求3所述的超聲波電動機閉環驅動電路，其特征在于，所述4位雙向移位寄存器的一個相位控制引腳連接選擇開關，其時鐘引腳連接A相PWM信號，所述選擇開關還連接所述4位雙向移位寄存器的復位引腳。
6.根據權利要求1所述的超聲波電動機閉環驅動電路，其特征在于，所述推挽驅動電路由MOSFET和變壓器組成。
7.根據權利要求5所述的超聲波電動機閉環驅動電路，其特征在于，所述選擇開關為撥碼開關。
全文摘要
本發明涉及一種超聲波電動機閉環驅動電路，采用A相、B相驅動電壓幅值反饋信號和給定的電壓幅值信號作為A相、B相PI控制器的輸入，A相、B相PWM信號發生器采用專門的PWM調制電路芯片，兩芯片共用一個時鐘信號，使得產生的A相、B相PWM信號具有相同的頻率，PWM調制電路芯片內置的運算放大器和該運算放大器對應的輸入引腳連接的阻容電路組成PI控制器，A相、B相PI控制器中阻容電路并不相同，使得A相、B相脈沖占空比可以根據各自的需要進行調節，PI控制器通過調節PWM脈沖信號的占空比來調節A相、B相驅動電壓的幅值，實現了超聲波電機驅動電壓幅值的閉環控制，電路結構更加簡單，降低成本。
文檔編號H02N2/00GK103095173SQ20131001727
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月17日 優先權日2013年1月17日
發明者史敬灼, 馬秋杰, 張彩霞, 徐迎曦, 王曉節 申請人:河南科技大學