华科新型电机大作业.docx

1、华科新型电机大作业题 目：超声电机驱动技术研究1课题来源及研究的目的和意义超声波电动机 (简称为USM )是利用压电材料的逆压电效应,把电信号加到压电陶瓷-金属构成的定子上,使定子表面的质点产生一定轨迹的机械振动,驱动转子运动的新型电机。由于定子的振动频率多数处在超声频范围,所以被称为超声波电动机1。这种电机的具有能量密度大、响应快、结构紧凑、低转速、大力矩、不受电磁干扰、断电自锁等优点。 在微型机械、机器人、精密仪器、家用电器、航空航天、汽车等方面有着广泛的应用前景。由于超声波电机的特殊结构和运行机理，使得超声波电机具有不同于传统电磁型电机的优点，但是在研究中也同时产生了一些问题：1）由于超

2、声波电机是利用定、转子之间的摩擦传动的，其滑动接触比较复杂，传动规律难以精确地表达，目前还没有一个精确的模型来描述超声波电机。2）超声波电机属于容性负载，会导致电机的谐振功率点的电流和电压相位不同，从而增加了电路中的无功损耗，输出效率较低。3）由于压电材料的特殊性、摩擦发热和工作环境变化等问题，驱动转子的摩擦力将产生严重的非线性变化，这种变化使控制电机匀速转动的难度大大增加。4）随着温度、输出转矩及定转子之间的静压力等外界条件的变化，压电陶瓷的谐振频率会发生漂移，从而导致电机性能的不稳定。通过以上的分析得出超声波电机是复杂的多变量、强耦合、时变系统。因此，超声波电机的性能不仅仅取决于电机自身结

3、构的好坏，在很大程度上还取决于其驱动控制系统的优劣，同时由于以上的困难也导致了超声波电机的驱动器设计的难度要远大于传统电磁型电机。那么以改善超声波电机运行平稳性、提高其运动控制装置性能为目标，进行超声波电机驱动控制技术方面的研究,对于超声波电机的广泛应用是十分必要的。本课题的研究目的主要就是为了克服上述问题，对超声波电机的驱动技术进行深入的研究，最终设计出比较稳定的的频率自动跟踪电路、高精度快速响应电路，以及高效率的驱动容性负载的驱动器。2 国内外在该方向的研究现状及分析2.1 超声波电机国内外研究现状20世纪40年代，人们就知道了超声波电机的工作原理2，但直到80年代，随着具有高转换效率的压

4、电陶瓷材料的出现，以及电力电子技术的发展，才逐步研制出各种类型的超声波电机。 1987年，佳能公司将其开发的圆环型行波超声波电机正式应用于EOS相机自动调焦系统，实现了超声波电机的商业应用3。日本在超声波电机的研究方面一直处于世界领先地位。它掌握着世界上大多数超声波电机技术的发明专利。在日本，几乎各知名大学和许多公司都对超声电机进行了研究和生产。环状行波型和棒状行波型电机已大批量生产，最近一种驻波型电机也已投入批量生产，主要用于工作时间短、精度高及某种特定功能的机器或领域中。日本公司将超声波电机应用于自动门、风扇、微动台、控制台、家电产品中，进一步开辟并扩大其应用市场4。 20世纪末和新世纪初

5、，中国、美国、德国、法国、英国和其他一些发达国家都开始了对超声电机的研究。最近几年来，除了日本之外，美国、德国、法国、中国、瑞士、韩国、土耳其和新加坡等都有超声波电机产品进入市场，在这些国家中，以美国发展得最快，应用的领域也最广5经过十年的发展，美国许多单位都在进行超声波电机的研究，如麻省理工学院(MIT)、美国航空航天局(NASA)、喷射推进实验室(JPL) ,Stanford, Berkeley, Wisconsin, Penn. State和 DARPA(Defense Advanced Research ProjectAgency)等6。美国某些公司生产的超声波电机产品已经在航空航天、

6、半导体工业、MEMS、和Bio MEMS等领域先后得到了应用。美国为了发展空间的反导弹、反卫星及情报侦察系统，近几年将要发射100个以上的纳米卫星(质量7-8kg)。这种纳米卫星的核心技术之一是微机械和微传感系统，包括微传感/遥感器、微陀螺和微驱动器。为此，美国正加速发展微型超声电机(直径仅1-2mm）。图1为美国宾州(Penn. State)大学研发的微型超声波电机最新成果5，该电机直径为1.8mm，长度为4mm 。图1美国宾州大学微型超声波电机我国超声波电机研究的起步和美、德、法、韩国等国差不多。自“首次全国超声电机技术研讨会”后，超声波电机更受到各方面的关注，特别是得到国家自然科学基金会

7、和863高技术专家组的大力支持和资助7。我国的超声波电机技术得到较快的发展，先后有清华大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、长春光机所、哈尔滨工程大学水声研究所、吉林工业大学、南京航空航天人学、北京科技大学、天津大学、上海冶金研究所、华中科技大学、东南大学、信息产业部电子第21研究所等十几所单位开展了对超声波电机的研究。其内容涉及超声波电机运动机理、谐振频率计算、驱动电路设计、控制方法以及样机的研制和试验，基本型式几乎涵盖目前所出现的所有超声波电机类型。在超声波电机的研究领域里，比较著名的学者有赵淳生教授，胡敏强教授，陈维山教授，郭吉丰教授 ，陈永校教授。南京航空航天大学在赵淳生教授的带领下研制了多

8、种不同型号的超声波电机。清华大学物理系已研制成直径l0mm, 5mm, 3 mm, 1.5mm, lmm的多种微型超声波电机，空载转速数百转到上千转，且转速可调，力矩从几微牛米到几百微牛米，可为医用超声内窥镜的超声探头提供驱动源，进而为形成一体化结构打下了良好应用基础8,9,10。但是国内各单位对超声波电机的研究只限于实验室11至今还没有达到实用阶段。目前驱动方面正在进行的研究12主要有:(1) 驱动系统的微型化目前,超声波电动机驱动器与超声波电动机相比较,普遍偏大。随着超声波电动机越来越多地应用于微型机器人、微机电系统,对驱动器的微型化要求越来越高。实现微型化可以应用大规模集成芯片。随着芯片

9、技术的发展, FPGA /CPLD、DSP的应用越来越广泛,已经可以将传统的由分立元件搭建的信号发生、分频相移以及功率放大等电路集成在芯片中,同时可以通过程序设计,较方便地实现电机控制。同时还需从电机驱动的结构入手,设计新型的驱动电路,改变传统的驱动方式。(2)驱动系统的通用化通常,不同的超声波电动机,对驱动频率、驱动电压的要求也是各不相同的。为此设计人员必须设计不同的驱动系统,无疑增加了工作量和成本。通用化的目的就是减少设计时间,节约成本。例如,以单片机、ARM等各种微控制器为核心,与超声波电动机驱动电路结合,利用前文介绍的高带宽的高压运放构成一个智能化的驱动系统。通过扫频获得超声波电动机的

10、谐振频率,无须人为设置,自动调整输出,可望自动满足各种不同类型超声波电动机的需求。(3)驱动技术的智能化智能化也可用于进一步提高超声波电动机的性能。例如,为了使超声波电动机获得较大的输出力和输出功率,可以考虑结合多个超声波电动机共同输出。但是即使是同一型号的超声波电动机,他们的谐振频率也会有微小的差别。选择怎样的频率作为电机群的工作频率有多种方案,如选择他们各自的谐振频率,或在他们的谐振频率附近选择一个相同频率,或采用扫描的方式,或在非谐振区选择一个频率。我们可以构建一个智能系统,将输出效率(选择谐振频率附近一个相同频率效率最高) 、硬件成本(选择各自的谐振频率成本最高,因为要为每个电机需要单

11、独的驱动设备) 、复杂度(选择非谐振区某一频率最简单,但是效率很低)等方面作为参数,根据现场需要选择最佳方案。我国已在超声波电机的研究方面取得了长足的进步，在电机结构、理论分析等领域同日本、美国等国家的差距不是很大，但是在超声波电机驱动控制、产业化应用方面差距明显13。目前，我国还没有一个完全产业化的超声波电机产品，在同产业化生产相关的功能材料和加工工艺上还存在一定的问题。2.2 超声波电机的运行机理目前使用最广泛的环形行波超声波电机(RTWUSM)的基本结构如图214。图2 环形行波超声波电机的结构图 从图中可以看出，环形行波超声波电机的定转子均为环形结构。其中，定子上开有齿槽，转子同定子接

12、触面覆有一层特殊的摩擦材料，定子背面黏结上压电陶瓷，并依靠蝶簧变形所产生的轴向力压紧在一起。图3 环形超声波电机的压电陶瓷片结构图在行波超声波电动机中最为关键的零部件是压电陶瓷片，它相当于该电机的心脏。电机的功率，转矩及效率等着主要的性能指标与之有着至关重要的关系。压电陶瓷片的结构图如图3所示。从图中看出压电陶瓷片被分成空间上相差的两个部分（A相，B相）。这两部分由压电陶瓷上分别加上相位差90的两相交流电压（频率f20KHz）进行激励。即可在定子表面产生行波。若用数学表达式描述,A相振子、B相振子分别由驱动电源EA和EB激发得出的驻波式分别为 (1) (2)其中, A相振子的振幅; B相振子的

13、振幅; k =2/。A相振子与B相振子在空间上的间隔为=/4,则式(2)B相振子的驻波可表示为 (3)若A相振子与B相振子的振幅相等即=,A、B相激励电压的相位差在时间上相差90，即=/2，则A相驻波与B相驻波叠加后的行波方程式为(4)=-/2时 (5) 定子表面的质点纵向振动位移u ( x , t )可表示为(6) (7) 其中 h 为定子上表面到中性层的距离，也就是贴在定子上的压电陶瓷厚度的一半，由式(4)(7)可得定子表面质点的运动轨迹方程： (8)由上式可见质点的运动轨迹方程为椭圆轨迹。在椭圆运动最高点时（即波峰处），横向位移最大，而纵向位移u为零，利用=0,即此时获得最大值 （9）

14、由上式可以看出改变两相电压的幅值，频率，相位差都可以改变定子表面质点运动的纵向速度。 （10）上式中的负号表示定子表面的质点运动到椭圆最高点时，它的运动方向正好与行波前进方向相反。若不计定转子间的滑动，假设转子接触面与定子振动波形相切，则此时转子速度为下式。这里的负号同样也表示转子速度与定子振动行波前进的方向相反。 （11）2.3 超声波电机的等效电路模型图4 超声波电机等效电路图在谐振频率附近的固定频率点单相驱动的环形行波型超声波电机其自由定子可用一个等效电路15来表示，如图 4 所示。其中Cd表示由压电陶瓷介电性引起的夹持电容，Rd表示压电陶瓷的介电损耗，Lm表示定子质量效应的等效电感，C

15、m表示定子弹性效应的等效电容，Rm表示定子内机械损耗的等效电阻。环形行波型超声波电机是通过利用两个同型驻波叠加，然后形成的一个行波作为驱动源，然后通过摩擦带动转子转动。其类型为单压电环双相驱动型超声波电机，因而整个电机的等效电路可由图5所示的表示。 图5 两相驱动完整等效电路图2.4 行波超声波电机的速度控制特性表1 超声波电机调速方式与特性控制变量控制方法原理特点控制特征曲线优点缺点改变电压幅值同时改变电压幅值改变行波波动幅值线性调速范围小，低速时转矩小 ，有死区改变电压幅值比改变行波振幅和椭圆运动形状线性改变相位差改变定子表面质点的椭圆运动轨迹换向运动平滑不易低速启动改变驱动频率通过调节谐

16、振点附近的频率控制转速和转矩响应快，易低速启动非线性改变通电时间正反转脉宽调幅控制调整正反转的占空比转矩恒定 调速范围宽 近线性效率低，音频机械振动问题断续驱动切换噪声和机械振动目前超声波电机的速度控制主要有4种：改变电压幅值，改变相位差，改变驱动频率，改变通电时间。不同的调速方法有不同的特点和应用场合。变频调速有响应快速和调速范围大的优点，但误差较大，由于温度对电机参数的影响，使得频率特性的重复性变差，引起在指定速度处有抖动。调压调节的调速范围较小，电压不能过低也不能过高，但是在死区和饱和区之间线性度比较好。调相调速方法换相过程平滑，容易实现正反转运行。改变通电时间调速方法可以在特定的应用场

17、合下减小和消除行波型超声波电机转子的自锁摩擦力。超声波电机的开关驱动方式就是利用PWM波控制逆变电路产生频率，相位，幅值可调的两路方波信号来进行超声波电机的调速控制。目前超声波电机用的比较多的调速方法主要有以下几种： 1. 调压控制，一般通过调节 PWM控制信号的占空比来实现。2. 调频控制，通过调节驱动信号的频率来实现。3.调相控制，通过调节两相驱动电压的相位差来实现。4.正反转脉宽调速，通过调整正反转驱动时间占空比实现。5断续驱动，采用驱动电压的通断控制，其它控制量都固定，使超声波电机的驱动电压时断时续；有驱动电压作用时，电机正常旋转；无驱动电压作用的时间段，电机靠惯性旋转。2.5 超声波

18、电机的驱动控制技术目前超声波电机的控制信号的产生方法有很多：1）比较早期的方法是利用NE555定时器构成多谐振荡器，由振荡器产生频率可变的方波信号，方波信号加到环形计数器触发端，得到4路相位互差90的方波信号，滤波后得到的正弦波通过脉宽调制控制芯片得到SPWM波。驱动功率逆变电路。这种方式调频由振荡器外围电位器调节，调节精度不够，而且是手动调节完全无法满足快速调速的要求，而且这种电路不具备调相功能，而且这种电路在频率自动跟踪的性能很差。考虑到NE555定时器调频控制很困难，采用压控振荡器VCO这种电路产生初始脉冲，可选用LM331。输出的信号经过分频分相电路变成四路相位相差90，频率为输入信号

19、四分之一的脉冲信号。分频分相电路可选用的方法有很多可以采用环形计数器，也可以采用移位寄存器40194，74LS161等。但是考虑到超声波电机频率特性随环境变化而变化，一般采用CD4046锁相环芯片作为VCO并进行频率自动跟踪。如果利用这种方法进行调相调速的话，需采用高分频数的芯片才行，这样带来的成本会很高。2)目前随可编程逻辑器件（CPLD/FPGA）的发展，可以将锁相环，分频移相电路集成到一块芯片中，这样的话就可以将分频数很大程度的增加，进而很容易的实现变相调节。也可以使用数字芯片DSP通过编程实现两路相位，频率可以变化的信号，在进行分频移相驱动功率电路。3）近年来发展起来的直接数字频率合成

20、技术（DDS）已经成为了超声波电机驱动技术的研究重点。DDS 基本原理是利用奈奎斯特采样定律，经过查表后把一系列的数字量信号通过DAC 转换成模拟量信号输出，控制器控制 DDS 信号发生单元产生两路独立的正弦信号，两路信号间的相位差可以在 0360范围内任意调节。DDS技术可以采用专用的DDS芯片，比如AD公司的AD985，也可以利用CPLD/FPGA搭建或DSP编程实现。来这种方法具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续、易实现对输出信号的多种调制等优点。当前超声波电机驱动电路研究的重点在功放逆变电路。目前驱动电路的设计大都采用功率半导体器件、开关型逆变电路、高频变压器等现代电力电子技

21、术手段。使用较多的有推挽式变换电路，隔离型的半桥、H桥驱动电路。在系统处于机械谐振状态时，超声波电机是容性负载。由于超声波电机在谐振频率附近工作时，系统呈现容性，一般采用电感进行匹配，抵消静态电容的容抗分量的影响16。匹配电路的作用有以下三个方面：(1)阻抗匹配，即通过匹配使驱动电源向电机输出的电功率达到最佳点，把电机的阻抗变换成驱动电路的最佳负载。(2)谐振匹配，即通过匹配使驱动电源输出效率最高，这是由于超声波电机呈容性，造成工作频率处的输出电压和输出电流存在相位差，使驱动器输出效率降低。(3)滤波，由于超声波电机的驱动电源采用开关技术实施功率放大，其信号输出为方波，因而需要滤除高频杂波，改

22、善输出电压的波形，以免激发出定子的非工作模态。匹配电路的主要思想是通过加入匹配电路来使超声波电机的定子对外呈现电阻性。匹配的方法有并联电感、串联电感、电感-电容匹配，T型网络匹配，LLCC匹配等方法。目前，对于超声电机的控制，仅限于速度稳定这一指标。但是，超声电机工作的稳定性受温度、摩擦损耗或其它外界因素等干扰较大，其中温度的变化对电机运行稳定性的影响尤为显著。超声电机机体中的压电陶瓷元件对温度也较为敏感。当电机运行一段时间使机体温度上升后，电机定子的共振频率会随着温度的上升而下降，导致开环运行时的电机转速下降，如图6所示。图中S1为超声电机温升前的速度-频率曲线(n/)， S2为温升后的速度

23、-频率曲线，和为相应的共振频率。图6 超声波电机在不同温度下的速度-频率曲线由于超声波电机机械谐振频率会随电机温度的改变而变化17，变化规律是:当温度上升，压电振子的谐振点和反谐振点频率会下移;反之，压电振子的谐振点和反谐振点频率会上移。由于电机工作在谐振点和反谐振点之间的频率范围内靠近谐振点时，电机的效率最高，因此电机的工作频率也要随着温度的升高而进行相应地降低才行。所以需要频率自动跟踪方式来进行闭环控制。所谓的超声电机的频率自动跟踪，就是使电机的驱动频率与谐振特性始终保持一定的关系，以达到速度稳定的目的。下面是超声电机控制系统中常用的反馈变量18,19： (1)孤极电压反馈:孤极是安装在定

24、子上检测定子振动状态的压电陶瓷，反映定子的振幅和频率。对孤极反馈电压值检测，可以获得当前定子的谐振频率，通过改变电机激励频率跟踪定子谐振频率，以获得最佳激励效果。这种反馈形式已经成功应用在商业化的超声电机中。 (2)相位反馈:输入电压和孤极反馈电压之间的相位差作为输入输入电压和孤极反馈电压之间的相位差可以反映电机的工作状态，所以控制器若能保证输入电压和孤极反馈电压之间的相位差在一定范围内，则可以保证超声电机能够工作在一个稳定的工作状态;输入电压与输入电流之间的相位差作为输入。理由同上述;在有补偿电感的驱动电路中，加在补偿电感两侧的电压信号的相位差作为输入。理由同前，由于补偿电感两侧的波形不同，

25、检测电路的设计相对比较麻烦，故较少采用。 (3)速度反馈:用于速度伺服控制系统。用霍尔测速元件或光栅编码器，采用锁相控制的方法实现。 (4)位置反馈:用于位置伺服控制系统。检测电机输出的角位移。纵观上述的几种反馈方法，孤极电压反馈和相位差反馈属于半闭环控制类型，而速度反馈和位置反馈则属于全闭环控制类型。3 课题研究内容本课题主要是针对环形行波超声波电机的驱动技术进行研究，主要研究内容包括以下几个方面：3.1 不同驱动方案控制信号的生成方法目前超声波电机控制信号可以用压控振荡器VCO开环驱动，锁相环PLL进行半闭环驱动，数字芯片DSP或可编程逻辑器件CPLD/FPGA完成脉冲产生以及分频分相，或

26、DDS技术。研究中要对以上方案的变频变相调节方法进行分析和设计，通过理论分析和仿真分析比较找到一种比较理想的信号生成方法。3.2 功率电路拓扑结构与PWM驱动方式对电机驱动性能的影响研究功率电路的拓扑结构主要是指功率逆变电路的结构，驱动超声波电机的电压一般都在200V以上，由信号发生器产生的仅仅是TTL电平信号，需要功率放大电路进行放大才能驱动USM。并且超声波电机利用逆变电路来实现PWM驱动控制。本课题要针对不同的逆变电路结构进行仿真,研究不同逆变电路对超声波电机调速特性和机械特性的影响。研究PWM方式下调幅，调相，调频等方式的实现方法。研究PWM和SPWM方式下对于超声波电机的调速特性和机

27、械特性的影响。3.3 电感匹配方法的研究超声波电机属于容性负载并且一般的驱动信号为方波，所以需要利用电感匹配的方法来完成阻抗匹配，谐振匹配和滤波的功能。目前匹配的方法有并联电感、串联电感、电感-电容匹配，T型网络匹配，LLCC匹配等方法。本课题需要针对不同的匹配方法进行设计，确定参数之后通过电路仿真来研究不同匹配方案对于超声波电机效率和功率和匹配电路输出波形的影响。3.4 孤极反馈对稳定电机工作状态的试验研究针对孤极反馈这种频率跟踪方式进行研究，研究孤极反馈信号的采集方法，反馈信号和电机速度之间的关系。研究孤极反馈方式下抑制温漂的效果。4课题的研究方案4.1 总体方案设计图7 超声波电机控制系

28、统框图本课题所研究的控制系统主要的控制对象是超声波电机的速度。针对超声波电机速度的控制，采用如图7所示的控制系统。速度设定量的与反馈信号进行比较，通过控制器控制驱动电路驱动超声波电机。将超声波电机的驱动电路部分进一步细化，得出如图8的超声波电机的驱动框图。由PWM产生电路产生的信号通过功率逆变电路逆变进过阻抗匹配电路滤波和去容驱动超声波电机运行。由于信号产生电路和功率逆变电路采用幅值不同的电压源,所以需要在两者之间进行电气隔离。图8 超声波电机的驱动框图由以上的方案可以进一步得出本课题的主要研究流程。首先明确本课题的目的是为了实现调频、调相、调压、断续、复合方式下的驱动技术研究，所以就要对驱动

29、电路的每个部分进行仿真分析，通过分析比较得出比较理想的驱动电路，之后完成硬件电路的制作、程序的编写以及系统的调试，最后通过实际测试对研究进行验证。本课题研究的主要研究流程见图9。图9 课题研究流程图课题中所使用的仿真软件为PSPICE。PSPICE是一款电路通用分析软件，主要功能是对电路进行模拟和仿真。PSPICE软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。 研究的前半部分过程主要就是对驱动电路的仿真分析，课题的研究需要搭建出不同方案下的驱动电路，利用史维佳完成的超声波电机PSPICE等效电路模

30、型作为负载进行电路仿真，分析不同方案对驱动性能的影响。具体的研究方案在后面两节中给出。研究的后半部分主要是进行电路硬件平台搭建和软件调试，对超声波电机的动态性能，稳态性能和机械特性进行测试。4.2 驱动电路的研究和设计4.2.1 驱动信号产生方案为了研究超声波电机的不同方式下的驱动性能，驱动信号需要满足频率，相位和幅值都可调的要求。能实现以上功能的信号发生方案有很多种，从调相能力上看利用单独的压控振荡器如LM555，LM565或锁相环CD4046不能满足相位连续可调的要求，这种方法通用性差，所以选用如下两种方案进行比较。 1.利用CPLD/FPGA芯片对控制信号予以实现图10超声波电机驱动电路

31、结构基本的驱动电路框图如图10所示。将信号发生、分频移相以及控制电路等整合到大规模集成电路中，可以利用CPLD/FPGA产生PWM波，这样提高了信号的精度与稳定性，调频和调相的实现也相对容易，并使装置相对趋于小型化。2. 基于直接数字频率合成技术（DDS）的驱动电路与传统的典型方波驱动电路相比基于直接数字频率合成技术（DDS）的驱动电路具有很大的优势。DDS在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，并且易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。 所以DDS技术目前超声波电机驱动技术研究的重点。DDS 基本原理是利用奈奎斯特采样定律，经过查表后把一系列的数字量信号通过DAC 转换成模拟量信号输出，其基本的原理结构图如图11所示。从图中可以看出频率控制字决定输出信号的周期，由相位控制字和相位寄存器输出字的和作为地址，在波形存储器中存储的正弦表查询对应的数字量，相应的数字量通过DAC转换成模拟量输出。图11 DDS基本原理图DDS技术的具体实现形式有很多，最简单的方案是 E2PROM 内