一種超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置及控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲電機(jī)是一種利用壓電陶瓷元件的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體振動(dòng)和通過(guò)摩擦傳 動(dòng)原理的新型電機(jī)，與一般電磁電機(jī)相比，超聲電機(jī)具有能直接輸出低轉(zhuǎn)速大力矩、瞬態(tài) 響應(yīng)快、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于航空、航天、醫(yī)療、微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域。
[0003] 在現(xiàn)有的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路中，通過(guò)穩(wěn)定功率輸出部分的母線電壓，實(shí)現(xiàn)超 聲電機(jī)激勵(lì)電壓的穩(wěn)定，并滿(mǎn)足如附圖1所示的等效電路。但是在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了以下 問(wèn)題：在大功率激勵(lì)、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行和負(fù)載頻繁變化的場(chǎng)景下，超聲電機(jī)的核心部件（如 壓電陶瓷）會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性，其等效電機(jī)參數(shù)（電容Cm、電感Lm、電阻Rm等）不再是 恒定的常值，會(huì)隨著激勵(lì)電壓發(fā)生顯著的變化，從而造成電機(jī)的控制系統(tǒng)難以有效調(diào)節(jié)轉(zhuǎn) 速和轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)正常工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的實(shí)施例提供一種超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置及控制方法，能夠在超聲電機(jī)出 現(xiàn)嚴(yán)重的非線性情況時(shí)，跟蹤激勵(lì)電壓并實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例采用如下技術(shù)方案：
[0006] 第一方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置，包括：信號(hào)發(fā)生模塊 (1)、分相模塊（2)、激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3)、功率輸出模塊（4)和頻率跟蹤模塊（6);
[0007] 所述信號(hào)發(fā)生模塊（1)用于發(fā)出方波信號(hào)，所述方波信號(hào)經(jīng)所述分相模塊（2)發(fā) 送至所述激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3);
[0008] 所述激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3)用于接收所述超聲電機(jī)（7)的激勵(lì)電壓和激勵(lì)電流的 反饋信號(hào)，并通過(guò)積分環(huán)節(jié)將所述方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為三角波信號(hào)，并根據(jù)所述三角波信號(hào)與 所述激勵(lì)電壓和所述激勵(lì)電流的反饋信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并得到調(diào)制后的方波信號(hào)；
[0009] 所述功率輸出模塊（4)接收所述激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3)發(fā)送的調(diào)制后的方波信 號(hào)，并在進(jìn)行功率放大后，輸入所述超聲電機(jī)（7)。
[0010] 第二方面，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方法，所述方法用于一種 系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：信號(hào)發(fā)生模塊（1)、分相模塊（2)、激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3)、功率輸出模 塊⑷和頻率跟蹤模塊（6);
[0011] 所述激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3)通過(guò)積分環(huán)節(jié)將方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為三角波信號(hào)，所述方 波信號(hào)由所述信號(hào)發(fā)生模塊（1)發(fā)出并經(jīng)所述分相模塊（2)發(fā)送至所述激勵(lì)電壓跟蹤模塊 (3)；
[0012] 接收所述超聲電機(jī)（7)的激勵(lì)電壓和激勵(lì)電流的反饋信號(hào)，并根據(jù)所述三角波信 號(hào)與所述反饋信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并得到調(diào)制后的方波信號(hào)；
[0013] 通過(guò)所述功率輸出模塊（4)將所述調(diào)制后的方波信號(hào)進(jìn)行功率放大，并輸入所述 超聲電機(jī)（7)。
[0014] 本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置及控制方法，能夠采集超聲電機(jī)的激 勵(lì)電壓和激勵(lì)電流的反饋信號(hào)，并通過(guò)積分環(huán)節(jié)以及調(diào)制過(guò)程，自動(dòng)調(diào)節(jié)超聲電機(jī)的激勵(lì) 電壓的幅值從而穩(wěn)定激勵(lì)電壓，使得當(dāng)超聲電機(jī)的等效參數(shù)和負(fù)載發(fā)生波動(dòng)時(shí)，尤其是在 大功率激勵(lì)、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行和負(fù)載頻繁變化的場(chǎng)景下，能夠有效調(diào)節(jié)和穩(wěn)定超聲電機(jī)運(yùn) 行的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的 附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附 圖。
[0016] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中電機(jī)的等效電路圖；
[0017] 圖2為本發(fā)明提供的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明提供的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置中的激勵(lì)電壓跟蹤模塊的邏輯流程 示意圖；
[0019] 圖4為本發(fā)明提供的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置中的激勵(lì)電壓跟蹤模塊的電路結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0020] 圖5為本發(fā)明提供的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置中的激勵(lì)電壓跟蹤模塊的調(diào)制信號(hào) 波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0022] 本發(fā)明實(shí)施例提供一種超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置，如圖2所示的，包括：信號(hào)發(fā)生模 塊（1)、分相模塊（2)、激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3)、功率輸出模塊（4)和頻率跟蹤模塊（6)。
[0023] 信號(hào)發(fā)生模塊（1)用于發(fā)出方波信號(hào)，方波信號(hào)經(jīng)分相模塊（2)發(fā)送至激勵(lì)電壓 跟蹤模塊（3)。
[0024] 激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3)用于接收超聲電機(jī)（7)的激勵(lì)電壓和激勵(lì)電流的反饋信 號(hào)，并通過(guò)積分環(huán)節(jié)將方波信號(hào)轉(zhuǎn)換為三角波信號(hào)，并根據(jù)三角波信號(hào)與激勵(lì)電壓和激勵(lì) 電流的反饋信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并得到調(diào)制后的方波信號(hào)。
[0025] 功率輸出模塊（4)接收激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3)發(fā)送的調(diào)制后的方波信號(hào)，并在進(jìn) 行功率放大后，輸入超聲電機(jī)（7)。
[0026] 在本實(shí)施例中，分相模塊（2)，具體用于將信號(hào)發(fā)生模塊（1)產(chǎn)生的方波信號(hào)分為 兩相相差90°的兩路方波信號(hào)，并發(fā)送至激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3)。當(dāng)產(chǎn)生的方波信號(hào)分為 兩相，則兩相的振幅相等，且兩相的相位相差為90°，此時(shí)定子表面質(zhì)點(diǎn)的切向速度為：
[0029] 定子表面質(zhì)點(diǎn)的切向速度與駐波振幅成正比。在一定范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)電壓與駐波振幅 成線性關(guān)系。因而，通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓的幅值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲電機(jī)的控制。由超聲電機(jī)等 效電路可知，流過(guò)Rm中的電流是定子振動(dòng)速度的函數(shù)，跟電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。激勵(lì)電壓與超 聲電機(jī)的輸出力矩成正比。因此，可以通過(guò)超聲電機(jī)輸入電流和激勵(lì)電壓的反饋，實(shí)現(xiàn)超聲 電機(jī)轉(zhuǎn)速和力矩的控制。超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路采用負(fù)載諧振功率變換技術(shù)，通過(guò)改變輸 出方波的占空比調(diào)節(jié)激勵(lì)電壓的幅值。超聲電機(jī)輸入電流由電流傳感器取樣，激勵(lì)電壓由 分壓電阻取樣，經(jīng)整流濾波交-直變換后，反饋送入PWM調(diào)制電路，與激勵(lì)頻率確定的三角 波比較，實(shí)現(xiàn)激勵(lì)電壓的閉環(huán)控制。
[0030] 激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3)，具體用于采集超聲電機(jī)（7)的激勵(lì)電壓、電流，并用于根 據(jù)激勵(lì)電壓、電流，通過(guò)比例積分環(huán)節(jié)得到反映電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的直流信號(hào)，并將直流信號(hào)向 超聲電機(jī)（7)發(fā)送。
[0031] 在本實(shí)施例中，激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3)中所執(zhí)行的分析過(guò)程的邏輯流程，可以如 圖3所示，在如圖3所示的分析過(guò)程中，Sl、S2、S3、S4的信號(hào)波形如圖5所示。并且，基于 如圖3所示的激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3)中的分析過(guò)程，在本實(shí)施例的優(yōu)選方案中，提供了一種 如圖4所示的電路結(jié)構(gòu)圖，用于在激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3)上采用如圖4所示的電路結(jié)構(gòu)來(lái) 實(shí)現(xiàn)分析過(guò)程。
[0032] 超聲電機(jī)（7)，用于根據(jù)直流信號(hào)進(jìn)行電機(jī)激勵(lì)電壓、電流的雙閉環(huán)反饋控制。
[0033] 進(jìn)一步的，激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3)，具體還用于根據(jù)分相模塊（2)發(fā)送的兩路信號(hào) 進(jìn)行積分環(huán)節(jié)，并得到三角波信號(hào)。再通過(guò)激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3)中的調(diào)制比較器，根據(jù)直 流信號(hào)與三角波信號(hào)生成具有占空比的方波調(diào)制信號(hào)，并向功率輸出模塊（4)發(fā)送。
[0034] 進(jìn)一步的本實(shí)施例的裝置，還包括：保護(hù)模塊（5)與激勵(lì)電壓跟蹤模塊（3)和功率 輸出模塊（4)相連，用于對(duì)功率輸出模塊（4)進(jìn)行限流、限壓和熱保護(hù)。
[0035] 本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置，能夠采集超聲電機(jī)的激勵(lì)電壓和激 勵(lì)電流的反饋信號(hào)，并通過(guò)積分環(huán)節(jié)以及調(diào)制過(guò)程，自動(dòng)調(diào)節(jié)超聲電機(jī)的激勵(lì)電壓的幅值