專利名稱：一種超聲馬達驅動控制電路及系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種驅動控制電路和一種驅動控制系統(tǒng)，特別是一種帶有數字脈 寬調制接口的行波超聲馬達驅動控制電路及利用該控制電路的系統(tǒng)。
背景技術：
超聲馬達(Ultrasonic Motor)又稱為壓電馬達或超聲電動機，英文簡稱USM，是 利用壓電材料的逆壓電效應，把電能轉化為機械振動能，并依靠摩擦力來驅動的一種新型 驅動器。超聲馬達分為行波超聲馬達和駐波超聲馬達兩種，目前應用在光學精密儀器、微機 械、機器人、流體測量和醫(yī)療器械等諸多領域。目前，尚沒有模塊化和商品化的超聲馬達通用驅動控制器，由于超聲馬達屬于新 型驅動裝置，針對超聲馬達的驅動控制還處于比較初級和落后的階段，其驅動控制技術尚 需解決如下問題(1)驅動電路小型化、簡單化，使用專用的集成電路；(2)驅動電路模塊 化，提高驅動電路的通用性和可換性，便于超聲馬達的普及；(3)驅動電路的智能化，將控 制策略及頻率自適應跟蹤技術與驅動電路一體化，提高系統(tǒng)的效率和魯棒性；(4)驅動電 路一體化，將馬達和驅動電路作為一個系統(tǒng)，在滿足功能要求前提下，綜合提高超聲馬達及 驅動電路的工作效率。
實用新型內容為了解決上述的技術問題，本實用新型的目的是提供一種簡單可靠、輸出信號穩(wěn) 定、帶有數字脈寬調制接口的超聲馬達驅動控制電路。本實用新型的另一個目的是提供一種控制穩(wěn)定可靠且集成度高的超聲馬達驅動 控制系統(tǒng)。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是—種超聲馬達驅動控制電路，包括驅動信號發(fā)生電路和控制信號發(fā)生電路，所述 驅動信號發(fā)生電路的輸出端連接有移相電路，所述移相電路的輸出端連接有數據選擇控制 電路，所述數據選擇控制電路的輸出端連接有功率放大電路，所述功率放大電路的輸出端 連接有電壓調節(jié)與阻抗匹配電路，所述電壓調節(jié)與阻抗匹配電路的輸出端為驅動馬達的接 口，所述控制信號發(fā)生電路的輸出端連接有占空比數字調節(jié)電路，所述占空比數字調節(jié)電 路的輸出端與數據選擇控制電路的輸入端相連接，所述占空比數字調節(jié)電路的另一輸入端 為計算機數字控制接口。一種超聲馬達驅動控制系統(tǒng)，包括驅動信號發(fā)生電路，所述驅動信號發(fā)生電路的 輸出端連接有移相電路，所述移相電路的輸出端連接有數據選擇控制電路，所述數據選擇 控制電路的輸出端連接有功率放大電路，所述功率放大電路的輸出端連接有電壓調節(jié)與阻 抗匹配電路，所述電壓調節(jié)與阻抗匹配電路的輸出端連接有行波超聲馬達，所述行波超聲 馬達的輸出端連接有速度檢測電路，所述速度檢測電路的輸出端連接有計算機數字控制電 路，所述計算機數字控制電路的輸出端連接有占空比數字調節(jié)電路，所述占空比數字調節(jié)電路的另一輸入端連接有控制信號發(fā)生電路，所述占空比數字調節(jié)電路的輸出端與數據選 擇控制電路的輸入端連接。本實用新型的有益效果是本超聲馬達驅動控制電路結構緊湊且一體化、集成度 高；驅動電路模塊化，提高驅動電路的通用性和可替換性，便于超聲馬達的應用普及；驅動 電路的智能化，將控制策略及頻率自適應跟蹤技術與驅動電路一體化，提高控制電路的效 率、可靠性和魯棒性。本實用新型的另一個有益效果是本超聲馬達驅動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了高集成度的閉 環(huán)控制，智能化超聲馬達控制系統(tǒng)將控制策略及頻率自適應跟蹤技術與驅動電路一體化， 提高整個系統(tǒng)的效率、可靠性和魯棒性。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
圖1是本實用新型的模塊方框圖；圖2是本實用新型的超聲馬達信號發(fā)生與控制電路原理圖；圖3是圖2各個信號節(jié)點的波形圖；圖4是本實用新型的超聲馬達控制調節(jié)器電路原理圖；圖5是本實用新型的功率放大電路原理圖。
具體實施方式
參照圖1，一種超聲馬達驅動控制電路，包括驅動信號發(fā)生電路1和控制信號發(fā)生 電路6，所述驅動信號發(fā)生電路1的輸出端連接有移相電路2，所述移相電路2的輸出端連 接有數據選擇控制電路3，所述數據選擇控制電路3的輸出端連接有功率放大電路4，所述 功率放大電路4的輸出端連接有電壓調節(jié)與阻抗匹配電路5，所述電壓調節(jié)與阻抗匹配電 路5的輸出端為驅動馬達的接口，所述控制信號發(fā)生電路6的輸出端連接有占空比數字調 節(jié)電路7，所述占空比數字調節(jié)電路7的輸出端與數據選擇控制電路3的輸入端相連接，所 述占空比數字調節(jié)電路7的另一輸入端為計算機數字控制接口。繼續(xù)參照圖1，一種超聲馬達驅動控制系統(tǒng)，包括驅動信號發(fā)生電路1，所述驅動 信號發(fā)生電路1的輸出端連接有移相電路2，所述移相電路2的輸出端連接有數據選擇控制 電路3，所述數據選擇控制電路3的輸出端連接有功率放大電路4，所述功率放大電路4的 輸出端連接有電壓調節(jié)與阻抗匹配電路5，所述電壓調節(jié)與阻抗匹配電路5的輸出端連接 有行波超聲馬達10，所述行波超聲馬達10的輸出端連接有速度檢測電路9，所述速度檢測 電路9的輸出端連接有計算機數字控制電路8，所述計算機數字控制電路8的輸出端連接有 占空比數字調節(jié)電路7，所述占空比數字調節(jié)電路7的另一輸入端連接有控制信號發(fā)生電 路6，所述占空比數字調節(jié)電路7的輸出端與數據選擇控制電路3的輸入端連接。參照圖2和圖3，信號產生一般由一個波形發(fā)生裝置產生頻率可調脈沖信號，經移 相后得到兩路相位相差η /2的脈沖輸出，本文中選用多功能函數發(fā)生器ICL8038實現(xiàn)超聲 頻率驅動信號的產生。函數發(fā)生器的供電電壓須大于IOV才能起振，第9腳輸出高頻脈沖幅值與供電電 壓相同，考慮到在電路中CMOS電平和控制環(huán)節(jié)中TTL電平的匹配，在電路中加入了分壓電阻。移相功能由與非門⑶4011和J-K觸發(fā)器⑶4027實現(xiàn)。在移相過程中，脈沖頻率變?yōu)檩斎胄盘柕?/2，因此需要波形發(fā)生器的可調頻率能 達超聲馬達諧振頻率的2倍以上，函數發(fā)生器輸出頻率可達IOOKHz以上，當4、5腳接電阻 阻值相等時，輸出頻率可由以下公式計算。f = 0. 33/ (RC)(1)式(1)中f為輸出頻率，當C = 800PF、R = 3. 9ΚΩ時。多功能函數發(fā)生器輸出方 波的最高輸出頻率為105. 7KHz，移相后最高頻率在50KHz以上，能夠滿足超聲馬達驅動要 求。頻率調節(jié)通過改變函數發(fā)生器第8腳電壓實現(xiàn)，因為超聲馬達的諧振范圍較窄， 在電路中通過兩個不同大小的電位器完成頻率的粗調和微調功能。移相后的脈沖信號接入 數據選擇器CD4019實現(xiàn)兩路信號超前滯后的選擇。參照圖4，超聲馬達脈寬調節(jié)控制部分分別由555定時器(NE555)、八位計數器 (HC393)、數字比較器(HC688)、數據選擇器(CD4019)、J-K觸發(fā)器(CD4027)和一些邏輯門 電路構成，數據選擇器八個輸入端分別為相位相差+ π /2和-π /2的信號方波。由555定時器產生高頻方波信號接入計數器，計數器的8位輸出分別和兩個8位 數據比較器相連。兩個比較器的比較端PO Ρ7管腳分別接高電平和八位計算機調節(jié)端以 實現(xiàn)數字脈寬調制信號產生。當計數器的八位全為高電平時，B端輸出負脈沖；計數器輸出與計算機數字輸出 相等時，A端輸出負脈沖。設A、B輸出負脈沖的時間間隔為K · Τ0，K的取值通過調節(jié)計算 機數字接口輸出實現(xiàn)。因此可以把256 · TO作為一個PWM周期，Κ/256作為脈寬調制占空 比，產生D、E端的占空比可調波形，接在數據選擇器⑶4019兩個選通端口 sa和sb，分別選 通a0-a3及b0-b3的輸入。定義K KS 255)為占空比調節(jié)系數，通過調節(jié)K的取值調 節(jié)一個PWM周期內兩相相位差為+ π /2和-π /2脈沖的個數比，即改變一個周期內驅動馬 達正向運動和反向運動脈沖的個數比，最終達到控制速度的目的。當0 < K < 128時馬達 正向運動，128 < K < 256時馬達反向運動。參照圖5，從數據選擇器輸出的信號要經過整流和功率放大，再經過變壓調節(jié)最后 接到超聲馬達。傳統(tǒng)的驅動方式一般要經過很多的功率MOSFET構成逆變電橋完成上述任 務，但驅動MOSFET須要在中間加入一些原理復雜、價格較貴的驅動芯片，使得這種驅動方 式電路復雜、成本較高。此外同種元件性能的差異及不同元件間線路連接與相互匹配也使 得電路穩(wěn)定性和可修復性較差。本設計采用了一種雙H橋功率集成驅動器L298，可以完成 TTL電路輸出信號整形和功放功能。雙H橋功率集成驅動器L298是一種全橋逆變電橋，通過兩個選通端(6、11腳)高 電平分別選通兩路功率放大通道。通過調節(jié)SEN A和SEN B端口電阻可以實現(xiàn)過載保護功 能，同時可以將電阻兩端電壓作為信號反饋。經過外接二極管整流和功放可放大TTL輸入 端的兩相相位相差η/2的方波信號。驅動器有四個功率輸出端，可直接接感性負載，經過 脈沖變壓器升壓后再通過合理設計阻抗匹配，可直接驅動行波超聲波馬達。對中小型功率 的超聲波馬達該驅動器不但性能穩(wěn)定、電路簡單，同時使得功放環(huán)節(jié)的調節(jié)與修復變得更 加簡便。以上是對本實用新型的較佳實施進行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本實用新型精神的前提下還可作出種種的等同變形 或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權利要求所限定的范圍內。
權利要求一種超聲馬達驅動控制電路，其特征在于包括驅動信號發(fā)生電路(1)和控制信號發(fā)生電路(6)，所述驅動信號發(fā)生電路(1)的輸出端連接有移相電路(2)，所述移相電路(2)的輸出端連接有數據選擇控制電路(3)，所述數據選擇控制電路(3)的輸出端連接有功率放大電路(4)，所述功率放大電路(4)的輸出端連接有電壓調節(jié)與阻抗匹配電路(5)，所述電壓調節(jié)與阻抗匹配電路(5)的輸出端為驅動馬達的接口，所述控制信號發(fā)生電路(6)的輸出端連接有占空比數字調節(jié)電路(7)，所述占空比數字調節(jié)電路(7)的輸出端與數據選擇控制電路(3)的輸入端相連接，所述占空比數字調節(jié)電路(7)的另一輸入端為計算機數字控制接口。
2.一種超聲馬達驅動控制系統(tǒng)，其特征在于包括驅動信號發(fā)生電路(1)，所述驅動信 號發(fā)生電路(1)的輸出端連接有移相電路(2)，所述移相電路(2)的輸出端連接有數據選擇 控制電路(3)，所述數據選擇控制電路(3)的輸出端連接有功率放大電路(4)，所述功率放 大電路(4)的輸出端連接有電壓調節(jié)與阻抗匹配電路(5)，所述電壓調節(jié)與阻抗匹配電路 (5)的輸出端連接有行波超聲馬達(10)，所述行波超聲馬達(10)的輸出端連接有速度檢測 電路(9)，所述速度檢測電路(9)的輸出端連接有計算機數字控制電路(8)，所述計算機數 字控制電路⑶的輸出端連接有占空比數字調節(jié)電路(7)，所述占空比數字調節(jié)電路(7)的 另一輸入端連接有控制信號發(fā)生電路(6)，所述占空比數字調節(jié)電路(7)的輸出端與數據 選擇控制電路(3)的輸入端連接。
專利摘要本實用新型公開了一種超聲馬達驅動控制電路及其系統(tǒng)，包括驅動信號發(fā)生電路和控制信號發(fā)生電路，所述驅動信號發(fā)生電路的輸出端連接有移相電路，所述移相電路的輸出端連接有數據選擇控制電路，所述數據選擇控制電路的輸出端連接有功率放大電路，所述功率放大電路的輸出端連接有電壓調節(jié)與阻抗匹配電路，所述控制信號發(fā)生電路的輸出端連接有占空比數字調節(jié)電路，所述占空比數字調節(jié)電路的輸出端與數據選擇控制電路的輸入端相連接。本超聲馬達驅動控制電路結構緊湊且一體化、集成度高；驅動電路模塊化，提高驅動電路的通用性和可替換性，便于超聲馬達的應用普及。本實用新型作為一種性能優(yōu)良的超聲馬達驅動控制電路及系統(tǒng)廣泛應用于傳動控制領域中。
文檔編號H02N2/00GK201663562SQ201020100499
公開日2010年12月1日 申請日期2010年1月22日 優(yōu)先權日2010年1月22日
發(fā)明者李營, 王云飛 申請人:廣州鐵路職業(yè)技術學院