專利名稱：用于超聲電機的多頻、寬帶、雙路驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲電機技術(shù)領(lǐng)域的驅(qū)動裝置，特別涉及到一種用于超聲電 機的多頻、寬帶、雙路驅(qū)動裝置。
背景技術(shù)：
超聲電機是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動，將材料的微觀變形 轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子(動子)宏觀運動的新型驅(qū)動器。與傳統(tǒng)電磁式電機相比，超聲電機 中的壓電陶瓷片取代了電磁電機中成千上萬圈的銅線，具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小， 低速、轉(zhuǎn)矩大，響應(yīng)快，斷電自鎖、功率密度大(是電磁型的3-IO倍)及不受電磁 干擾，運動準確等優(yōu)點，在航空航天，機器人，醫(yī)療器械，精密儀器，汽車工業(yè) 等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而超聲電機由于絕對的輸出力矩較小，限制了超 聲電機在機器人等需要較大輸出力矩等場合的應(yīng)用。所以如何提高超聲電機的輸 出力矩，在國內(nèi)、外一直是超聲電機領(lǐng)域的研究熱點，這也是擴大超聲電機應(yīng)用 領(lǐng)域的基礎(chǔ)。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，"美國電氣與電子工程學會"的《超聲波、 鐵電材料和頻率控制學報》上發(fā)表的《振子大小為8腿*2. 16mn^lmm的方形直線超 聲電機的調(diào)幅驅(qū)動》(2006年第53巻第12期第2435-2441頁)，和《利用雙頻驅(qū) 動提高方形直線超聲電機的性能》(2004年12月第51巻第12期第1600-1606頁)， 提出采用雙頻、調(diào)幅驅(qū)動，激發(fā)超聲電機的高階模態(tài)或支撐結(jié)構(gòu)的振動，提高超 聲電機的輸出功率。然而，這里信號源是用兩個信號發(fā)生器與加法器直接相加或 采用方波驅(qū)動單個攻率放大器實現(xiàn)的。實際上大多數(shù)超聲電機是采用兩路相移90 度，而且兩個信號源直接相加并不能保證兩個信號之間的相位差，因而文中提到 的方法并不具有通用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有超聲電機的驅(qū)動器(驅(qū)動電源)的不足，提供一個用于超聲 電機的多頻、寬帶、雙路驅(qū)動裝置，該裝置比公知裝置頻帶寬，可提供雙路多頻率成分的信號驅(qū)動。通過對超聲電機驅(qū)動電路的設(shè)計，使其滿足超聲電機的工作 需求，為多諧振超聲電機的研究和開發(fā)打下重要的基礎(chǔ)。該裝置比已知的驅(qū)動裝 置用途更廣，其不但能給多諧振超聲電機提供多頻驅(qū)動，并且也能給一般的不同 結(jié)構(gòu)的超聲電機提供單頻驅(qū)動。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的
本發(fā)明包括信號發(fā)生電路、光耦隔離電路、復合反饋式功率放大電路和保護 電路，信號發(fā)生電路的信號輸出端連接到光耦隔離電路的信號輸入端，光耦隔離 電路的信號輸出端連接到復合反饋式功率放大電路的信號輸入端。復合反饋式功 率放大電路的端子連接相應(yīng)的保護電路。信號發(fā)生電路經(jīng)過光耦隔離電路實現(xiàn)信 號的輸入和輸出電氣隔離，確保信號發(fā)生電路不會受到后面高電壓電路的影響而 損壞。光耦隔離電路的輸出信號進入復合反饋式功率放大電路進行功率放大，使 得輸出信號的電壓和電流都符合需求。信號進行功率放大的同時，通過保護電路 進行短路、過流等電路保護，提高電路的可靠性。
所述信號發(fā)生電路包括六路正弦信號發(fā)生電路和相應(yīng)的濾波電路，六路正弦 信號發(fā)生電路的信號輸出端連接到相應(yīng)濾波電路的信號輸入端。信號通過六路正 弦信號發(fā)生電路，分成兩組正弦信號A、 B，每組信號都由三路正弦信號組成， 分別記為A1、 A2、 A3和B1、 B2、 B3。其中Al、 A2、 A3 (Bl、 B2、 B3)的初始相 位一樣，頻率各不相同。而A1和B1 ( A2和B2、 A3和B3)的頻率一樣。兩組 信號分別通過相應(yīng)的濾波電路進行濾波，得到兩組六路比較純正的正弦信號，供 后面的電路使用。
所述光耦隔離電路包括六路電壓跟隨電路、兩路加法電路、兩路反向電路、 四路光耦隔離電路、兩路減法電路，六路電壓跟隨電路的信號輸出端，每3個輸 出端構(gòu)成一組，共兩組，分別連接到兩路加法電路的信號輸入端，兩路加法電路 的信號輸出端，分別同時連接到兩路反向電路的信號輸入端和四路光耦隔離電路 的兩路，反向電路的信號輸出端連接到剩下的兩路光耦隔離電路的信號輸入端。 連接到加法電路輸出端和相應(yīng)反向電路的輸出端的兩個光耦合隔離電路構(gòu)成一 組，每一組光耦隔離電路的信號輸出端，分別連接到兩路減法電路的信號輸入端。 信號通過六路電壓跟隨電路，提高各路信號的驅(qū)動能力。再分成兩組信號輸入到 兩路加法電路中進行合成，同時可以放大電壓幅值。信號從加法電路疊加輸出后，一方面信號直接輸入光耦隔離電路，進行信號的輸入和輸出的電氣隔離，得到正 弦正半周信號的隔離信號； 一方面輸入到反向電路，對信號進行反相。反相后的 信號輸入到剩下的兩路光耦隔離電路，進行輸入和輸出的電氣隔離，得到正弦負 半周信號的隔離信號。這樣從四路光耦隔離電路輸出的四路信號，正半周隔離信 號和負半周隔離信號組成一組輸入到減法電路，對信號進行減法合成，得到完整 的正弦信號。合成信號輸出供后面的電路使用。
所述復合反饋式放大電路包括前置運算放大電路和后級功率放大電路，前置 運算放大電路的信號輸出端連接到后級功率放大電路的信號輸入端，合成信號通 過前置運算放大電路進行初步放大，并提高驅(qū)動能力，然后輸入到后級功率放大 電路，對信號進行功率放大。
所述保護電路包括過熱保護電路、輸出對地或電源短路保護電路，過熱保護 電路連接在復合反饋式放大電路中的后級功率放大電路芯片，復合反饋式放大電 路的信號輸出端連接到輸出對地或電源短路保護電路的信號輸入端。信號通過輸 出對地或電源短路保護電路，進行限流保護。過熱保護電路通過對后級功率放大 電路溫度信號的提取、處理，對電路進行過熱保護。信號通過保護電路輸出后提 供給超聲電機驅(qū)動使用。
本發(fā)明工作時，信號通過信號發(fā)生電路輸出六路正弦信號，并且均分為兩組 正弦信號，其中每一組都具有三路初始相位相同、頻率不同的信號；而兩組信號 對應(yīng)的頻率成分一樣。兩組三路信號輸入到濾波電路，對信號進行相應(yīng)的頻率濾 波，這樣可以得到比較純正的正弦信號。濾波后的信號輸入到光耦隔離電路，進 行信號的輸入和輸出的電氣隔離，并同時提高信號的驅(qū)動能力，放大信號的電壓 幅值。隔離后的信號隨即輸入到復合反饋式放大電路，進行功率放大，提高信號 的負載能力；并同時輸入到保護電路，對信號進行相應(yīng)的電路參數(shù)的保護，提高 電路的可靠性。最后輸出信號給超聲電機提供驅(qū)動電源。
當LabVIEW的數(shù)據(jù)采集卡或者FPGA輸出六路正弦信號時，由于輸出的六路 正弦信號的為高頻率信號，所以需要對六路正弦信號進行分析濾波。濾波后的信 號需要通過驅(qū)動能力的放大，以驅(qū)動光耦隔離電路，進行電氣隔離。隔離后的電 路再經(jīng)過前置運算放大電路進行初次電壓放大，再由后級功率放大電路放大功 率，經(jīng)過一系列的電路保護輸送到超聲電機，提供超聲驅(qū)動電源。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明通過LabVIEW的數(shù)據(jù)采集卡或者FPGA直接輸出 六路正弦信號，避免了由濾波電路進行濾波得到正弦信號的不穩(wěn)定性等電路問 題，以及不同結(jié)構(gòu)超聲電機需要不同的濾波電路帶來的復雜問題。由于正弦信號 是由編程得到數(shù)字信號，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換而來，可以在計算機上方便地進行頻率、 幅度的調(diào)節(jié)，更方便超聲電機的掃頻需求。六路正弦信號進行濾波隔離后采用后 級功率放大電路進行放大，避免了變壓器的帶寬限制。本發(fā)明輸出信號電壓高， 頻帶寬，用途比一般的驅(qū)動器(驅(qū)動電源)廣，其不但能給多諧振超聲電機提供 多頻驅(qū)動，為多諧振超聲電機的研究和開發(fā)打下了重要的基礎(chǔ)，而且能為一般的 不同結(jié)構(gòu)的超聲電機提供單頻驅(qū)動。


圖1為本發(fā)明實施例總體結(jié)構(gòu)框圖2為本發(fā)明實施例中光耦隔離電路結(jié)構(gòu)框圖3為本發(fā)明實施例中復合反饋式放大電路和保護電路結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護 范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括六路正弦信號發(fā)生電路l、濾波電路2、光耦 隔離電路3、復合反饋式放大電路4、保護電路5，六路正弦信號發(fā)生電路l的 信號輸出端連接到濾波電路2的信號輸入端，濾波電路2的信號輸入端連接到光 耦隔離電路3的信號輸出端，光耦隔離電路3的信號輸出端連接到復合反饋式放 大電路4的信號輸入端，復合反饋式放大電路4通過保護電路5連接到超聲電機 的信號輸入端。
如圖2所示，光耦隔離電路3包括六路電壓跟隨電路6、 7、 8、 9、 10、 11，第一加法電路12，第一反向電路13，第一光耦隔離電路14，第一減法電路 15、第二光耦隔離電路16，第二加法電路17，第二反向電路18，第三光耦隔離 電路19，第二減法電路20，第四光耦隔離電路21，電壓跟隨電路6、 7、 8的信 號輸出端連接到第一加法器12的信號輸入端，第一加法器12的信號輸出端引出 一路到第一反向電路13的信號輸入端，同時引出另一路到第一光耦隔離電路14的信號輸入端，第一反向電路13的信號輸出端連接到第二光耦隔離電路16的信 號輸入端。第二光耦隔離電路16的信號輸出端連接到第一減法電路15。電壓跟 隨電路9、 10、 11連接到第二加法器17的信號輸入端，第二加法器17的信號輸 出端引出一路到第二反向電路18的信號輸入端，同時引出另一路到第三光耦隔 離電路19的信號輸入端，第二反向電路18的信號輸出端連接到第四光耦隔離電 路21的信號輸入端。第四光耦隔離電路21的信號輸出端連接到第二減法電路 20。
如圖3所示，復合反饋式放大電路4包括前置運算放大電路22、功率放大 電路23。保護電路5包括輸出對地或電源短路保護電路24、過熱保護電路25， 前置運算放大電路22的信號輸出端連接到功率放大電路23的信號輸入端。功率 放大電路23的信號輸出端連接到輸出對地或電源短路保護電路24的信號輸入 端。過熱保護電路25連接到功率放大電路23。
六路正弦信號發(fā)生電路1產(chǎn)生六路正弦信號，分成兩組正弦信號A、 B，每 組信號都由三路正弦信號組成，分別記為A1、 A2、 A3和B1、 B2、 B3。其中Al、 A2、 A3 (Bl、 B2、 B3)的初始相位一樣，頻率各不相同。而Al和Bl ( A2和B2、 A3和B3)的頻率一樣。該信號輸入到濾波電路2，進行相應(yīng)頻率的濾波。濾波 后的六路正弦信號分別經(jīng)過六路電壓跟隨電路6、 7、 8、 9、 10、 11，可以提高 驅(qū)動能力。信號通過第一加法電路12、第二加法電路17分為相應(yīng)的兩組A、 B， 每一組都包括相應(yīng)的三路信號，Al、 A2、 A3和B1、 B2、 B3。由第一加法電路12 輸出端輸出的A組信號引出一路信號，經(jīng)過第一反向電路13輸入第一光耦隔離 電路14進行輸入和輸出的電氣隔離，得到一路隔離信號；同時引出另一路信號 直接經(jīng)過第二光耦隔離電路16，直接進行輸入和輸出的電氣隔離，得到另一路 隔離信號。兩路隔離信號通過第一減法電路15進行合成，這樣可以得到一路完 整的正弦信號。由第二加法電路17得到的B組信號引出一路信號，經(jīng)過第二反 向電路18輸入第三光耦隔離電路19進行輸入和輸出的電氣隔離，得到一路隔離 信號；同時引出另一路信號直接經(jīng)過第四光耦隔離電路21，直接進行輸入和輸 出的電氣隔離，得到另一路隔離信號。兩路隔離信號通過第二減法電路20進行 合成，得到另一路完整的正弦信號。合成的正弦信號經(jīng)過前置運算放大電路22 進行初次放大，輸出信號到功率放大電路23的信號輸入端，對信號進行功率放大。同時通過輸出對地或電源短路保護電路24、過熱保護電路25等進行一系列
的電路保護后輸送給超聲電機，提供超聲驅(qū)動電源。 本實施例具體工作的實現(xiàn)包括以下過程
由LabVIEW的數(shù)據(jù)采集卡或者FPGA作為六路正弦信號發(fā)生電路1，輸出六 路正弦信號，經(jīng)過濾波電路2濾波，再由電壓跟隨電路6、 7、 8、 9、 10、 11和 加法電路12、 17分成兩組各三路，兩組的波形為相位差90度的方波或者正弦波， 每一組的三路頻率可調(diào)成一致或者不一致，調(diào)成一致的時候，便可作為一般的驅(qū) 動電源使用；不一致的時候，即為多頻驅(qū)動電源。該信號通過光耦隔離電路3進 行光電隔離，然后輸出到復合反饋式放大電路4進行放大，輸出兩路放大的信號 經(jīng)過進行輸出對地或電源短路保護電路24、過熱保護電路25等，向超聲電機端 子供電。其中光耦隔離電路3和復合反饋式放大電路4由直流電源供電。
由上述實施例可以看出，通過LabVIEW的數(shù)據(jù)采集卡或者FPGA直接輸出六 路正弦信號，避免了由阻容等模擬信號發(fā)生電路進行濾波得到正弦信號的不穩(wěn)定 性等電路問題，以及不同結(jié)構(gòu)超聲電機需要不同的模擬信號發(fā)生電路帶來的復雜 問題。并且可以在計算機上方便地進行頻率、幅度的調(diào)節(jié)，更方便超聲電機的掃 頻需求。六路信號進行濾波隔離后采用功率放大電路進行放大，避免了變壓器的 帶寬和體積小型化的限制。該驅(qū)動器(驅(qū)動電源)輸出信號電壓高，頻帶寬，用 途比一般的驅(qū)動器(驅(qū)動電源)廣，其不但能給多諧振超聲電機提供多頻驅(qū)動， 為多諧振超聲電機的研究和開發(fā)打下了重要的基礎(chǔ)，而且能為一般的不同結(jié)構(gòu)的 超聲電機提供單頻驅(qū)動。
在實際操作中，上述裝置的調(diào)整或者改變、所有的元件或者采用的材料可由 功能上相當?shù)脑蛘卟牧蟻泶?，這些均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1. 一種用于超聲電機的多頻、寬帶、雙路驅(qū)動裝置，其特征在于，包括信號發(fā)生電路、光耦隔離電路、復合反饋式功率放大電路和保護電路，其中信號發(fā)生電路的信號輸出端連接到光耦隔離電路的信號輸入端，光耦隔離電路的信號輸出端連接到復合反饋式功率放大電路的信號輸入端，復合反饋式功率放大電路的端子連接相應(yīng)的保護電路，所述信號發(fā)生電路經(jīng)過光耦隔離電路實現(xiàn)信號的輸入和輸出電氣隔離，確保信號發(fā)生電路不會受到后面高電壓電路的影響而損壞，光耦隔離電路的輸出信號進入復合反饋式功率放大電路進行功率放大，使得輸出信號的電壓和電流都符合需求，信號進行功率放大的同時，通過保護電路進行短路、過流保護。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于超聲電機的多頻、寬帶、雙路驅(qū)動裝置，其 特征是，所述信號發(fā)生電路包括六路正弦信號發(fā)生電路和相應(yīng)的濾波電路，六路 正弦信號發(fā)生電路的信號輸出端連接到相應(yīng)濾波電路的信號輸入端，信號通過六 路正弦信號發(fā)生電路，分成兩組正弦信號，每一組都具有三路初始相位相同、頻 率不同的信號，而兩組信號對應(yīng)的頻率成分一樣，兩組信號分別通過相應(yīng)的濾波 電路進行濾波，得到兩組六路比較純正的正弦信號，供后面的電路使用。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于超聲電機的多頻、寬帶、雙路驅(qū)動裝置，其 特征是，所述六路正弦信號發(fā)生電路為LabVIEW的數(shù)據(jù)采集卡或者FPGA。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于超聲電機的多頻、寬帶、雙路驅(qū)動裝置，其 特征是，所述光耦隔離電路包括六路電壓跟隨電路、兩路加法電路、兩路反向電 路、四路光耦隔離電路、兩路減法電路，六路電壓跟隨電路的信號輸出端，每3 個輸出端構(gòu)成一組，共兩組，分別連接到兩路加法電路的信號輸入端，兩路加法 電路的信號輸出端，分別同時連接到兩路反向電路的信號輸入端和四路光耦隔離 電路的兩路，反向電路的信號輸出端連接到剩下的兩路光耦隔離電路的信號輸入 端；連接到加法電路輸出端和相應(yīng)反向電路的輸出端的兩個光耦合隔離電路構(gòu)成 一組，每一組光耦隔離電路的信號輸出端，分別連接到兩路減法電路的信號輸入 端，信號通過六路電壓跟隨電路，提高各路信號的驅(qū)動能力，再分成兩組信號輸 入到兩路加法電路中進行合成，同時放大電壓幅值，信號從加法電路疊加輸出后，一方面直接輸入光耦隔離電路，進行信號的輸入和輸出的電氣隔離，得到正弦正 半周信號的隔離信號，另一方面輸入到反向電路，對信號進行反相，反相后的信 號輸入到剩下的兩路光耦隔離電路，進行輸入和輸出的電氣隔離，得到正弦負半 周信號的隔離信號，這樣從四路光耦隔離電路輸出的四路信號，正半周隔離信號 和負半周隔離信號組成一組輸入到減法電路，對信號進行減法合成，得到完整的 正弦信號，合成信號輸出供后面的電路使用。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于超聲電機的多頻、寬帶、雙路驅(qū)動裝置，其 特征是，所述復合反饋式放大電路包括前置運算放大電路和后級功率放大電路， 前置運算放大電路的信號輸出端連接到后級功率放大電路的信號輸入端，合成信 號通過前置運算放大電路進行初步放大，并提高驅(qū)動能力，然后輸入到后級功率 放大電路，對信號進行功率放大。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于超聲電機的多頻、寬帶、雙路驅(qū)動裝置，其 特征是，所述保護電路包括過熱保護電路、輸出對地或電源短路保護電路，過熱 保護電路連接在復合反饋式放大電路中的后級功率放大電路芯片，復合反饋式放 大電路的信號輸出端連接到輸出對地或電源短路保護電路的信號輸入端，信號通 過輸出對地或電源短路保護電路，進行限流保護，過熱保護電路通過對后級功率 放大電路溫度信號的提取、處理，對電路進行過熱保護，信號通過保護電路輸出 后提供給超聲電機驅(qū)動使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于超聲電機的多頻、寬帶、雙路驅(qū)動裝置，包括信號發(fā)生電路、光耦隔離電路、復合反饋式放大電路和保護電路。由信號發(fā)生電路產(chǎn)生六路正弦信號，通過濾波隔離輸送到復合反饋式放大電路和保護電路進行保護放大，輸出兩路放大的信號，向超聲電機端子供電。本發(fā)明通過對六路正弦信號直接濾波隔離放大，避免了由濾波電路進行濾波得到正弦信號的不穩(wěn)定性等電路問題，和變壓器的帶寬和體積小型化的限制，以及不同結(jié)構(gòu)超聲電機需要不同的濾波電路帶來的復雜問題。并且可以在計算機上方便地進行頻率、幅度的調(diào)節(jié)，更方便超聲電機的掃頻需求。
文檔編號H02N2/06GK101282094SQ20081003783
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月22日
發(fā)明者李世陽, 明 楊, 鄭喆俊, 陳許英 申請人:上海交通大學