圓柱形多自由度超聲波電動機(jī)驅(qū)動電路的研究
摘要：根據(jù)圓柱形多自由度超聲波電動機(jī)的工作原理、特點(diǎn)，提出了驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)此要求提出了一種驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)方案，并分析了其原理和特性。針對該設(shè)計(jì)方案存在的不足，列驅(qū)動電路進(jìn)行了改進(jìn)，較好地滿足了電機(jī)驅(qū)動和控制的要求。
關(guān)鍵詞：多目由度；超聲波電動機(jī)；驅(qū)動；控制；電路
O引言
超聲波電動機(jī)的驅(qū)動技術(shù)伴隨著超聲波電動機(jī)的產(chǎn)生、發(fā)展而同步發(fā)展。超聲波電動機(jī)的工作原理與傳統(tǒng)的電磁電動機(jī)不同，其驅(qū)動的方法也不同。因此，對超聲波電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究，既要借鑒電磁電機(jī)的方法，更要考慮超聲波電動機(jī)本身的特點(diǎn)。在單自由度超聲波電動機(jī)的驅(qū)動方而國內(nèi)同行已經(jīng)做了大量的、卓有成效的研究工作Il。J。而對多自由度超聲波電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究起步相對較晚。本文以自行研制的圓柱形多自由度超聲波電動機(jī)為對象，研究超聲波電動機(jī)的驅(qū)動電路，為該種電機(jī)的驅(qū)動和控制打F基礎(chǔ)。
1驅(qū)動電路的要求
圓柱形多自南度超聲波電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和[作原理如圖1所示。在三組壓電陶瓷元件PzT爿、B、c上分別施加合適的交流電壓時，可以激發(fā)出定子的三個工作模態(tài)：兩個二階彎振模態(tài)和一個一階縱振模態(tài)。當(dāng)兩個彎振(在時間、空間相位上均相差90。)合成時，就可以在定子的驅(qū)動端面(頭部)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動，進(jìn)而依靠定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦，驅(qū)使轉(zhuǎn)子繞：軸轉(zhuǎn)動；同理，當(dāng)一個彎振與“個縱振(在時間、空間相位卜亦均相差90。)合成時，就會驅(qū)使轉(zhuǎn)予繞x或y軸轉(zhuǎn)一動。
一般情況下，超聲波電動機(jī)是依靠超聲頻段的簡諧信號來激勵、驅(qū)動的，可以通過調(diào)節(jié)其激勵信號的相位、頻率和幅值之一來改變其運(yùn)動狀態(tài)。幽此，從超聲波電動機(jī)運(yùn)動控制的角度來講，有三種基本控制方法：相位差控制、頻率控制和電壓幅值控制。相位差控制的優(yōu)點(diǎn)是能以平滑的
速度變化實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，某些情況下有助于提高速度分辨率，缺點(diǎn)是具有強(qiáng)的非線性。從硬件角度講，相位差控制需要專門的相位調(diào)制電路，具有相調(diào)節(jié)功能的兩路信號發(fā)生器比其它控制方法復(fù)雜得多。頻率控制由于容易實(shí)現(xiàn)、能夠覆蓋整個速度范圍，被廣泛應(yīng)用于行波型超聲波電動機(jī)的控制。但由于這種方法不允許獨(dú)立地改變?nèi)齻�振動模態(tài)的激勵頻率，因而不能獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)對三個方向轉(zhuǎn)速的控制，所以頻率控制不適于多自由度超聲波電動機(jī)。電壓控制是通過改變激勵電壓的幅值來改變振動的振幅，進(jìn)而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法。電壓控制呈現(xiàn)良好的線性性質(zhì)，能取得良好的控制效果。即使采用經(jīng)典的控制器，如PID控制器，具有較好的魯棒性。因此本文將從調(diào)節(jié)電壓幅值角度，設(shè)計(jì)和分析多自由度超聲波電動機(jī)的驅(qū)動電路。
圖1電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理
根據(jù)圓柱形多自由度超聲波電動機(jī)的工作原理、特點(diǎn)及其電壓幅值控制的需要，其驅(qū)動電路(亦稱驅(qū)動電源)應(yīng)滿足如下要求：1)能提供滿足電機(jī)工作頻率要求的三路高頻驅(qū)動信號；2)能獨(dú)立地調(diào)節(jié)三路驅(qū)動信號的電壓幅值；3)能獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)三個自由度運(yùn)動的啟動、停止和正反轉(zhuǎn)；4)三路驅(qū)動信號之間相位差能保持同相、反相或正交(90。或270。)；5)能與電機(jī)匹配，以提高驅(qū)動效率。
2驅(qū)動電路及其特性
按照圓柱形多自由度超聲波電動機(jī)驅(qū)動電路的上述要求，曾設(shè)計(jì)和試制了一種驅(qū)動電路，其原理如圖2所示。這是一個多自由度超聲波電動機(jī)調(diào)壓控制電路，由三個相同的電路模塊組成三
圖2馳動電路I的三個模塊
相控制電路。每相輸入方波的頻率是相同的，但相位上有差別。根據(jù)電機(jī)不同的運(yùn)行需要(運(yùn)轉(zhuǎn)向)，A、B、c三個模塊輸入的方波在相位上要么同相、要么反相、要么正交(90。或270。)。司時，希望三個模塊的輸出“。、“。、即在相位上保持這一關(guān)系，而在幅值上可以根據(jù)各自的控刳電壓M，√、％R、“，，來調(diào)整。
下面以模塊A為例，分析一下三個模塊中各點(diǎn)的工作波型，如圖3所示。爿點(diǎn)是占空比為50％的方波輸入。輸入后分成兩路，兩路的相位差為180。。r1和r2提供一個直流偏置電壓
方波信號經(jīng)過電容G微分后，得到B、c兩點(diǎn)的電壓波形。這兩個波形經(jīng)過兩個比較器與控制電壓“，。比較，得到兩列方波D和E，用它們來驅(qū)動兩個場效應(yīng)管的柵極，場效應(yīng)管工作在開關(guān)狀態(tài)。最后得到的輸出波形為“。。可見，“。是一個周期信號，其周期r與該模塊輸入方波的周期相同。這個周期信號再經(jīng)過匹配電感(圖中未畫出)后，就可以得到周期為丁的正弦信號，用它來激勵電機(jī)定子的壓電陶瓷片。而該正弦信號的幅值和相位均與參數(shù)Z有關(guān)。在其它參數(shù)不變的條件下，參數(shù)五由控制電壓“，。****決定。
在圖3中，設(shè)爿點(diǎn)的第一個上升沿的時間起點(diǎn)f=O，對％進(jìn)行泰勒展開，可得到其一階分量： 
可見，參數(shù)正既調(diào)整了輸出正弦信號的幅值，也影響到信號的相位。 對于另一模塊，如模塊B，設(shè)它的輸入方波比模塊
A的輸入方波超前n／2，且其對應(yīng)的調(diào)節(jié)參數(shù)為乃。同理，可以得到％的一階分量，即B模塊的輸出正弦信號
由上面分析可以得到如下結(jié)論：對于圖2所示的驅(qū)動電路，通過調(diào)節(jié)各相的輸入控制電壓，可以實(shí)現(xiàn)各相輸出正弦驅(qū)動信號的幅值控制。主Llq…lW,‘影響了它們的相位，致使兩相驅(qū)動信號之間的相位差不能保持常值(如正交、同相或反相)。這與多自由度超聲波電動機(jī)調(diào)壓控制的要求是不符合的，使調(diào)速規(guī)律變得復(fù)雜。這就是上述驅(qū)動電路的小足之處。
3驅(qū)動電路的改進(jìn)
為了消除幅值控制和相位控制的耦合現(xiàn)象，列驅(qū)動電路進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的電路的一個模塊(如爿相)如圖4所示。與圖2不同的是把微分電路改成積分電路。
其波形變換的情形如圖5所示。調(diào)節(jié)積分電路，使三個模塊中的六個積分電路的特性一致。同時調(diào)整其積分常數(shù)，使它在給定的輸入方波的頻率下日點(diǎn)的波形為一個對稱的三角波。三角波的轉(zhuǎn)
圖5馳動電路II中一個模塊各點(diǎn)的工作波型
折點(diǎn)正好與爿點(diǎn)方波的上升沿和下降沿對應(yīng)。這樣，通過調(diào)整控制電壓“。即可得到n。的波形，如圖5所示。
同理，以A點(diǎn)的第一個上升沿的時間起點(diǎn)f=O對Ⅳ。進(jìn)行泰勒展開，得到其一階分量：其相位為Ⅱ，相位是一個常數(shù)，與Z無關(guān)。
可見，參數(shù)正只調(diào)節(jié)了輸出正弦信號的幅值，不會影響到其相在E o bj此，對于三個模塊，分別調(diào)節(jié)其控制電壓““、“∞、“；c，可以對三
路正弦輸出信號的幅值分別進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)而不會產(chǎn)生相電影響，它們之間仍維持所需的相位關(guān)系(即正交、同相或反相)。也就是說，改進(jìn)后的驅(qū)動電路消除了幅值和相位的耦合。
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