两相超声电机驱动电路设计

于海滨 漆嘉林 赵本华 刘锏泽 刘德赟（北京卫星制造厂，北京 100094）



两相超声电机驱动电路设计

于海滨 漆嘉林 赵本华 刘锏泽 刘德赟
（北京卫星制造厂，北京 100094）

摘 要：两相超声电机是近年来普遍使用的一种先进的超声电机，是科学技术发展的重要产物。由于用于两轴工作平台的两相超声电机逻辑控制电路要求相对复杂，因此，本文提出了一种基于模拟式和数字式的解决方案，并对两个方案的特点进行了对比。研究表明，模拟式驱动方案能够有效解决前期对两相电机的驱动需求，但是却不能很好地处理工作平台两轴之间的快速切换，且该方案操作繁琐。而数字式驱动方案能够有效解决上述问题，在驱动波形的产生、功率放大和稳定控制上更加简便、快捷。

关键词：超声电机；多自由度；驱动电路

从当前超声电机的发展情况来看，单自由度超声电机的发展已经趋于成熟。就国内而言，在与其配套的驱动电路方面的研究也逐渐深入，并取得了一系列瞩目成绩。近年来，随着科学技术的不断发展，对精密装置的驱动提出了更高的要求，单自由度超声电机已经无法满足需要，此时两相超声电机应运而生，并凭借多个自由度、良好的性能以及齐全的功能等特点得到了广泛应用。本提出了2种两相超声电机驱动控制电路解决方案，并详细对比了2种方案的特点。其中，对影响两相超声电机并联谐振匹配的关键因素进行了着重介绍。以下对两相超声电机驱动电路进行详细探讨。

1 驱动电路要求

应用于两轴工作平台的两相超声电机主要由锥形头、支撑板、叠层压电陶瓷、下配重块以及预紧螺栓等五部分组成，如图1所示。其中，叠层压电陶瓷又包含4个正向极化分区，如图2所示。当对A、B分别加sin t，对C、D分别加cos t正弦信号激励时，能够激发驱动足沿XZ 平面呈逆时针方向做椭圆运动，从而驱动电机沿X 轴做负方向运动；切换A、B 及C、D 所加正弦信号相位差，能够激发驱动足沿XZ平面呈顺时针方向做椭圆运动，驱动电机沿X轴做正方向运动；当对A、D 分别加sin t，B、C分别加cos t正弦信号激励时，能够激发驱动足沿YZ 平面呈逆时针方向椭圆运动，驱动电机沿Y轴呈负方向运动；切换A、D 及B、C 所加正弦信号相位差，能够激发驱动足沿YZ平面呈顺时针方向做椭圆运动，驱动电机沿Y轴呈正方向运动。

图1 电机结构简图

由于超声电机的主要任务在于产生正余弦激励信号，因此，需要对逻辑电路的电子开关控制进行设置，将沿X轴和Y轴的驱动信号隔离开来，这样一来，两者就可以独立进行调节，不会对彼此产生影响。如果没有做好上述工作，沿X轴和Y轴的驱动信号就会出现相互交叉的情况，容易出现短路，甚至将超声电机的陶瓷片烧毁。

2 模拟式驱动方案

2.1 驱动信号产生原理

驱动电路通过ARM-LPC1788集成芯片时产生一路基准方波PWM信号，当通过分频分相电路后，就会产生四路相位相差90°的PWM方波，经适当的功率放大和并联谐振匹配施加在叠层压电陶瓷上。

2.2 并联谐振匹配方案

当电机靠近谐振频率时，可以用RC并联电路对其进行表示。R为超声电机可变等效电阻，C为超声电机可变等效电容。叠层陶瓷片安全工作电压峰值不超过100V。加入适当的预压力之后，四相分区电容均值为56nF，这样一来，就可以将单相矩形波电压源加在叠层压电陶瓷两相电容上。以A、B相为例，并联电容为112nF，工作频率为68kHz。图2为超声电机并联谐振模型，其中CL1和CL2的作用相同，都是起到稳压的作用。

对于RLC串并联电路来说，在阻性负载状态下，系统效率达到最高状态，并且电容和电感均为无功功率消耗，电机为容性负载，因此，需要通过并联电感使电路成为阻性。在工作过程中，超声电机的R和C容性负载本身是变化的。在全范围内，匹配电路以及固定结构是无法将阻性呈现出来的，所以，首先需要通过谐振公式将并联电感大小试算出来，再根据电路对电感、占空比和电压源进行适当调整。此外，也可以采取加入波形稳压电容的方法，将谐波分量输入电流降到最小，这样一来，功能消耗得以降低，而驱动效率也将大大提高。

根据图2模型得出的RLC并联谐振模型，初始电容为112nF，当电机处于谐振状态时，感抗和容抗相等，电感为49μH。

在不考虑自身影响的情况下，变压器副边输出的电压源矩形波电压峰值是30V，在并联谐振作用下，最为合适的峰值应当是40V。如果过低，就容易出现负载率不够的情况，无法驱动电机；而如果峰峰值过高，则意味着输入电流增大，将会降低电机的工作效率。所以，峰峰值的控制十分重要。

通过实验发现，当电机靠近谐振频率时，在充电状态下，占空比的调节对阻性负载功耗将会产生直接影响，同时阻性负载功耗与输入电压源的大小也有着密切关系。在放电状态下，功率、电容的消耗，电感存储与释放到阻性负载上的振荡特性有着直接关系。除此之外，占空比和功率对放电的时间和衰减过程也会产生影响。经多次试验，当L= 44μH，CL1=CL2=100nF，D=25%时，此时电机波形匹配达到最佳。

2.3 X轴与Y轴输出信号逻辑控制

通过图1我们不难看出，只有激励叠层压电陶瓷四个分区的正余弦信号时，需要进行逻辑控制才能达到直线运动目的。

在选择模拟驱动方案下，采用分立元件对前端电路从信号发生到功率放大部分进行固定，所以只能从变压器副边出来经过并联后，高频交流电与加载到叠层压电陶瓷的4个分区实施逻辑控制。在模拟驱动方案下匹配出的电路能够使电机在工作平台上呈直线运动，具有良好的调频调速特征。

图2 LCPE四分区及激励方式

3 数字式驱动方案

3.1 数字式驱动方案

驱动信号通过基准方波信号与生成的分频分相信号之间借助逻辑互连方式实现信号的切换。主控制器选择ARMLPC1788，该芯片能整合所有设置，并凭借其逻辑互联这一强大功能，能够手动或者是程序设置对信号切换进行控制。将芯片的48MHz系统主振频率作为模块时钟源，这样所产生的谐振工作频率就能够符合电机所需，每个PWM输出端口经过移相电路后都能够产生两路同频相位相差180°的方波信号，通过外部功率放大等环节，就能够形成符合电机运行的高频交流电。

3.2 匹配方案与波形输出

（PWM输出端口）在设置好引脚之后，方波信号从引脚处输出，经过功率放大升压之后，加载到叠层压电陶瓷的各个相分区上单独匹配，构成数字驱动方案。经试验，当L=98μH，CL1= CL2=100nF，D=45%时，此时波形匹配最佳，输出功率状态最佳。

结语

综上所述，本文基于两相超声电机在X-Y平台上复杂的逻辑控制要求，提出了模拟式驱动和数字式驱动两种方案，并对两种方案各自的优缺点进行了说明。总的来说，模拟式驱动方案能够有效解决前期对平台电机的驱动需求，但是却不能很好地处理X轴和Y轴的快速切换，且该方案操作繁琐。而数字式驱动方案能够有效解决上述问题，在电路驱动上更加简便、快捷，为两相超声电机的进一步应用奠定了基础，可以说是当前两相超声电机的最佳电路驱动方法，具有较高的推广价值和应用价值。

参考文献

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中图分类号：TP332

文献标识码：A