专用超声波电机驱动电路研究

专用超声波电机驱动电路研究专用超声波电机驱动电路研究分类号ＴＰ２７１．４—５３３（１）ＵＤＣ密级公开编号中国工程物理研究院专用超声波电机驱动电路研究指导教师姓名文贵印研究员申请学位级别工学硕士专业名称通信与信息系统论文提交日期２００５．３．１５论文答辩日期２００５．４．２８学位授予单位和日期中国工程物理研究院答辩委员会主席２００５年３月１５日专用超声波电机驱动电路研究摘要超声波电机（ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＭｏｔｏｒ简称ＵＳＭ）是一种新型的微特电机，有别于传统的电磁电机。

在本文引言中，说明了ＵＳＭ与传统电磁电机相比的主要优点、基本组成及应用前景，同时说明了开展专用ＵＳＭ的驱动电路研究工作的背景及主要工作内容，作者要完成设计、样品加工及应用三部分工作等，此论文就是这三部分研究工作的总结。

首先，根据对驱动电路的要求，结合国内外传统压电马达驱动电路的系统方案，设计出专用超声波电机的驱动电路的系统方案。

在本方案中增加了位置检测与归零单元，去掉了频率跟踪单元，采用ＤＳＰ作为控制单元，整合了电机驱动信号产生、电机选择与启动、位置检测信号处理和特殊信号译码等功能，有利于电路小型化和稳定性。

方案具有新颖和独特性。

其次，详细介绍了利用仿真与实际调试相结合的方法，完成了推挽逆变电路及升压脉冲变压器的工程设计和调试，着重解决了浪涌及功率开关管保护等问题，注意了变压器绕制工艺与漏感的关系。

采用ＤＳＰ芯片实现了多种控制和软、硬件结合，给出了用Ｃ语言编写的程序，重点解决了程序的调试与抗干扰问题。

采用独特的数字编码方法，实现了位置检测的结构设计，完成了性能初步调试以及与ＤＳＰ组成闭环系统，消除电机不断步进引起的空间位置上的积累误差，实现了电机步进误差归零的技术要求。

设计了电路工程板图，完成了样机两台的加工和调试工作，与超声波电机进行了匹配调试实验，重点解决了阻抗匹配问题，达到了驱动电路的设计指标，实现了设计、加工、匹配调试三部分工作的基本要求。

最后，根据前一段工作，提出了一些今后工作的意见，特别是工程应用化与集成化方面的研究想法。

关键词：超声波电机，驱动电路，ＤＳＰ，脉冲变压器，位置检测与归零专用超声波宅机驱动电路研究ＡｂｓｔｒａｃｔＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＭｏｔｏｒ（ＵＳＭ），ａｓａｎｅｗｔｙｐｅｍｉｃｒｏ—ｍｏｔｏｒｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｏｔｏｒ．Ｉｎｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ＵＳＭ’ｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｃｏｍｐａｒｅｄｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｏｔｏｒｍａｍｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓａｎｄｔｈｅｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｍａｎｄｓｏｆｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄａｎｄｔｈｅｍａｉｎｔａｓｋｓｏｆｓｐｅｃｉａｌｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｏｏ．Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇｓｕｃｈａｃｉｒｃｕｉｔ，ｍａｋｉｎｇｍａｔｃｈｉｎｇｗｉｔｈＵＳＭａｒｅｔｈｅｍａｉｎｔａｓｋｓｏｆｔｈｅａｕｔｈｏｒ．ＳｏｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｗｏｒｋｍｏｔｉｏｎｅｄａｂｏｖｅＦｉｒｓｔ，ａｆｔｅｒｓｔｕｄｉｅｄｍａｎｙｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｓｙｓｔｅｍｓｃｈｅｍｅｓｏｆｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｓａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｉｓｄｏｍａｉｎａｎｄｂａｓｅｄｏｎａｃｔｕａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｓｙｓｔｅｍｓｃｈｅｍｅｆｏｒｔｈｉｓｓｐｅｃｉａｌｃｉｒｃｕｉｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｎｔｈｉｓｓｃｈｅｍｅ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｒａｃｉｎｇｕｎｉｔｉｓｃａｎｃｅｌｅｄ，ａｐｏｓｉｔｉｏｎｌｏｃａｔｉｎｇａｎｄｅｒｒｏｒｃｌｅａｒｉｎｇｕｎｉｔｉｓｉｎｓｔｅａｄ，ＤＳＰｉｓａｄｏｐｔｅｄａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔｗｈｉｃｈｈａｓｍａｎｙｆｕｎｃｔｉｏｎｓｓｕｃｈａｓｆｏｒｍｉｎｇｄｒｉｖｉｎｇｓｉｇｎａｌｓ，ｓｅｌｅｃｔｉｎｇｍｏｔｏｒｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｍｏｔｏｒｓｓｔａｒｔ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｉｇｎａｌｏｆｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎｌｏｃａｔｉｎｇｄｅｃｏｄｉｎｇｏｔｈｅｒｓｐｅｃｉａｌｓｉｇｎａｌｓ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｓｏｔｌｗａｒｅｗｉｔｈｈａｒｄｗａｒｅｂｅｎｅｆｉｔｓｔｈｅｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｓｏｄｅｓｉｇｎｈａｓａｎｏｖｅｌａｎｄｕｎｉｑｕｅｆｅａｔｕｒｅ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙａｍｅｔｈｏｄｃｏｍｂｉｎｅｄｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｗｉ也ｐｒａｃｔｉｃａｌｔｅｓｔｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔｍｌ．Ａｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｅｓｔｆｏｒｔｈｅｐｕｓｈ－ｐｕｌｌｉｎｖｅｒｔｅｒａｎｄｐｕｌｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｓｄｏｎｅ．Ｓｏｍｅｑｕｅｓｔｉｏｎｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｈｏｗｔｏｓｕｐｐｒｅｓｓｓｕｒｇｅｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｈｏｗｔｏｐｒｏｔｅｃｔｐｏｗｅｒＭＯＳＦＥＴｓａｒｅｓｏｌｖｅｄ．ｉｎｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒａｎｄｌｅａｋａｇｅｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｉｓｎｏｔｉｃｅｄ．ＭａｎｙｃｏｎｔｒｏｌｆｉｍｃｔｉｏｎｓａｎｄｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅａｒｅｆｉｎｉｓｈｅｄＤＳＰ．ＡｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｐｒｏｇｒａｍｉｓｏｆｆｅｒｅｄＡｄｏｐｔｅｄｕｎｉｑｕｅｄｉｇｉｔａｌｅｎｃｏｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ａｃｏｎｓｔｒｕｃｔｕｓｉｎｇｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｅｓｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｄｅｓｉｇｎｃａｎｃｌｅａｒｃｕｍｕｌａｔｅｅｒｒｏｒａｎｄｓａｔｉｓｆｙｓｐｅｃｉａｌｄｅｍａｎｄｓＡｔｌａｓｔａｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＰＣＢｉｓｆｉｎｉｓｈｅｄａｎｄｔｗｏｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓａｒｅｆｏｒｍｅｄ．ＭａｔｃｈｅｄＵＳＭ，ｔｈｅｓｅｔｗｏｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓａｒｅｖａｌｉｄａｔｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｍａｉｎｄｅｓｉｇｎｉｎｇｆｉｇｕｒｅｓａｒｅａｃｈｉｅｖｅｄ．Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｅｗｏｒｋｄｏｎｅｉｎｔｈｅｆｉｒｓｔｓｔｅｐｓｕｍｍａｒｉｚｅｄａｎｄｓｏｍｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｍｉｎｄｓａｂｏｕｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ｔｏｏ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｍｏｔｏｒｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ＤＳＰｐｕｌｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ｐｏｓｉｔｉｏｎｌｏｃａｔｉｎｇａｎｄｅｒｒｏｒｃｌｅａｒｉｎｇ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国工程物理研究院或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者签名：奠芝轧善签字日期：ｎｒ年３月３１日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使用学位论文的规定，允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授权中国工程物理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

学位论文作者签名：夫垒先褥签字日期：一。

蛑３月３＼日导师签名：畏奇占Ｆ签字日期：年；月；ｆ日专用超声波电机驱动电路研究第一章引言超声波电机（ＵｌｔｒａｓｏｍｃＭｏｔｏｒ，简称ＵＳＭ）是二十世纪８０年代中期迅速发展起来的新型电机，它利用压电材料的逆压电效应把电能转化电机定子的机械振动能，又通过定、转子间的摩擦作用驱动转子运动。

这种超声波电机具有突出的特点，因而受到广泛关注，在微机械系统（ＭＥＭＳ）、纳米技术、军工、机械人、生物学、医疗器械、航空航天、办公自动化等领域展现出巨大的应用潜力和优势。

１．１超声波电机的基本组成和一般工作原理超声波电机种类很多，诸如：驻波型、行波型、纵扭型、复合型……，其结构千差万别，但它的基本组成如图１．１。

电能Ｊ压电摇子弹性谇＜定子）几机械能输出摩擦材料转子图１．１超声波电机的结构图从图１．１可见，超声波电机基本有两部分组成：一部分为高频驱动电路；另一部分为电机本体（由定、转子组成）。

显然，超声波电机是一种典型的机电一体化产品。

超声波电机的工作原理是：高频驱动电路将外部输入的低压直流电源逆变成电机需要的高频驱动电压信号（ｆ＞２０ＫＩ－Ｉｚ），此电压加到压电陶瓷体上（陶瓷体作过极化处理）使定子（压电陶瓷粘在其上的弹性粱）产生弯曲波振动，在定子表面质点形成椭圆运动，导致定子表面质量点与接触转子表面产生相对运动，又因转子表面为摩擦材料，则定、转子间存在滑动摩擦，其摩擦驱动力为Ｆ：‘＝Ｆｆ￡ｃ（ｒ咋）ｄｘ专用超声波电机驱动电路研究其中：Ｆ为接触点的正压力（一般由预压力产生）：Ｐ为与转子相接触的定子表面质点的切向速度；Ｖ一为转子转速；三为定转子接触区域。

由于，的存在，使转子产生运动（直线或转动）。

超声波电机的定子由压电陶瓷和弹性体粘合而成，在高频电压驱动信号的作用下，压电陶瓷片通过逆压电效应产生超声波频率振动，实现电能到机械振动能的转换；超声波电机的转子是由转子基体与粘按在其上的摩擦材料组成，并通过弹簧与定子压紧，借助摩擦使定子弹性体的交变振动变成单一方向的转子的直线或旋转运动，实现机械振动能到转子动能的转换。

鉴于高频振动是由压电晶体产生的，故超声波电机又称压电马达。

超声波电机的高频驱动电路则要保证超声波电机工作在本身谐振频率附近所需的电压驱动信号的频率、相位和幅值要求，实现最大的电．机转换效率，并且要考虑由于各种原因使谐振频率发生变化、输出力矩改变以及影响工作性能的补偿和控制技术。

另外，如果为确保电机转动到几何位置”０（０是步进角，ｎ＝ｏ，１，２…）的地方，电机转动的角度被检测且误差在要求的范围内，那么还需对超声波电机有位置定位和归零的控制技术。

１．２行波型ＵＳＭ的结构和工作原理本设计要驱动的专用超声波电机是一种行波型马达，图１．２给出了行波型ｕｓＭ的一般结构图和极化图。

（ａ）结构图（ｂ）压电片极化图图１．２行波型ＵＳＭ结构图和极化图从图１．２ａＮ见，行波马达的本体是由定子和转子构成，且定子上粘有压电陶瓷，从图１．２ｂＮ以看出，ＵＳＭ的压电陶瓷被分成空间成９０。