超声电机驱动的控制系统探讨

郝铭

（吉林电子信息职业技术学院，吉林 吉林 132021）

超声电机驱动的控制系统探讨

郝铭

（吉林电子信息职业技术学院，吉林 吉林 132021）

TRUM-60行波型超声电机是文章的讨论对象，为了更好地利用和挖掘出有关于伺服作动的优秀性能，以电气在驱动控制器的特性为起点，更加深入的研究了超声电机的控制与驱动技术。在这些方面的控制算法和驱动以及策略研究获得了一些收获：双PWM的功率所驱动的拓扑结构、迅速来回的动态性能、直线纳米级和旋转角秒级在开环情况下的分辨率、重复加点启动超声电机。

超声波；电机驱动；控制系统

1 超声电机驱动及控制电路的工作原理

通过超声电机在工作时的原理就能知道，多数的超声电机在工作的时候要依靠驱动给电路供应0.1～10W的功率、100～350V的输出信号峰、频率为20kHz～100kHz、90°的相位差（或可调）、相同的两路频率的交变信号。再有，因为机械共振令系统产生的频率能够决定超声电机在工作时最优秀的频率，而振动系统的主要部分是压电元件，它会随着外面环境（例如预压力、温度等）的改变而改变其自身的共振频率，所以要保障电机能够平稳运行，就要实时监测系统共振频率的改变动向，这样一个优秀的控制和驱动电路才能在超声电动机上体现出来。

2 超声电机驱动控制原理

与古老的电磁电机的工作原理不同的是，超声电机是通过摩擦来启动的，所以因为以下四点而不容易为集中质量建模：第一，滑动率在转子和定子面前是个未知数；第二，温度会对谐振频率产生影响而令其改变；第三，它的动力学现象除了杂乱还具有非线性特征；第四，工作时转子的压力、定子和电压、旋转的方向、转速、负载、温度都会对电机性能产生影响。所以在定下来了超声电机的结构之后，控制的方法成为决定其性能的关联，一般有三种控制的方法：

第一种，对电压的幅值在范围允许的情况下进行管控。过低的电压会导致压电元件不产生振动，但过高的电压又会让压电元件到达运行的极限；第二种，变频控制。由于与谐振点很近的地方就是电机的动作点，而响应迅速又是改变频率的一大特色，所以要对力矩和速度进行管控就可以通过改变临近于谐振点的频率做到；第三种，管控相位差。要把质点在定子表面椭圆形的行驶方向更改，可以通过调节相位差（两相电压）来做到。可是如果速度过低就难以启动，而要设计驱动电源又颇为复杂，但改变频率因为具有快速的特性，又容易通过很低的速度来启动，所以对它的使用要更多。文章将对驱动控制开展更深层次的讨论。

3 驱动电源的要求

为了能让超声电机正常运行，依照行波型的超声电机的工作原理来说，电源的交流电一定要满足有九十度相位差、相同的频率、相同的峰峰值、相同的有效值这几点。作为逆变器的电源，可以把直流电（由外部输出）逆变成交流电，这两相的交流电有以下硬性要求：①为了让变速特性在超声电机中得以体现，就要将变频特性赋予给电源；②为了让行波振动在定子中维持良好的状态，九十度的相位差恒定是在时间上对两相交流电的硬性要求，同时还要保证鉴相和变频功能一定要在变频电源中体现出来；③为了让驱动频率维持优良状态，依靠摩擦工作的驱动电源就要有实时监测会受转子和定子的材料与温度参数而影响摩擦效果的谐振频率的机制；④电源两相中任意一相的交流电要设计成比九十度高或低。

4 用于超声电机驱动的开关逆变器半桥逆变器

半桥逆变器在超声电机中有着不可替代的重要作用。一般来说，具有控制电路以及驱动电路的正常运行的作用。其中，将C1与C2（注：C1与C2的电容必须保持一致）串联后，接入支流输入的两端。由于电容容量的数值较大，所以默认为逆变器工作时，电容器两端的电压数值不变，为Vd2。此时，对于伏直流母线来说，电容器两端电压的连接点O的电位的数值保持正常。具体的工作流程如下：①输入电压被进行分压的工作，其中，分压由电容相同的C1与C2构成。②保证T1的导通，让电流经历一个从T1到二极管在到电容器C1的过程。此时，C1、C2正常运转，一个放电，一个充电，构成正常的交流正半波；③保证T2的导通。此时，C1与C2交换作用，C2进行放电工作，C1进行充电工作，形成正常的交流负半波。

全桥逆变器。全桥逆变器，也是逆变器的一种，具有容量大、输出电压大等优点，一般用于大容量场合。与半桥逆变器相比较，在直流输入电压相同的条件下，半桥逆变器的最大输出电压仅仅是全桥逆变器的一半，换言之，就是在输出功率相同的条件下，半桥逆变器在输出电流和开关元件电流方面，是全桥逆变器的2倍。

推挽式逆变器。推挽式逆变器，这是一种在输出时需要带中心抽头的变压器。与全桥逆变器相同的是，两者的输出波形一样。其中，推挽式逆变器的优点在于：不论在任何时候，导通路径上的开关元件都只有一个。而开关元件的驱动电路公共地的合理设计，又简化了整个驱动电路的设计与操作。但是，推挽式逆变器的缺点在于：无法精确地保证输出变压器的支流饱和率。

5 功率MOSFET的驱动

功率MOSFET为压控器件，具有栅极驱动简单的优点，开机速度一般在0.1～0.5μs。其主要作用在于：超声电机逆变器的开关元件。

栅极驱动电路的特点。一般情况下，超声电机都会选用栅极驱动电路。而栅极驱动电路又有以下特点：第一，驱动电路的设计与操作较为简单；第二，节省驱动电流，由于驱动电路为容性负载，这也意味着功率MOSFET的栅极输入端可以替代容性负载。

常用的栅极驱动电路。常见的栅极驱动电路主要有以下三种：①CMOS器件；②晶体管；③TTL器件等。而功率MOSFET为压控器件，其栅极驱动的设计相对简单。当电路需要隔离时，则可采用脉冲变压器或者光耦作为主要隔离器。除此之外，若将电阻串联在电阻中，则也可使并联器件的开关时间减少，从而降低开通或关断时的震荡。

6 时钟频率与变压器

一般来说，电源变频可以改变超声电机的变速。这是由于电源中有产生时钟频率的部分，同时必须保证电机既可变速又变频。所以必须将频率部分设计为可变可调的。通常情况下，常见的可调多谐压控振荡器有：LM555、LM565和NE555。

谐振回路是由MOS场效应开关功率管、脉冲变压器耦合以及超声电机构成的。其中，脉冲变压在驱动电路中有着不可替代的重要作用。在驱动电路中，变压器与功率管相连接。这也意味着在保证功率变换器指标的同时，也保证了电路运转的安全性与可靠性。除此之外，又有高频工作的特点。所以，在设计时，必须对诸如瞬态饱和和集肤效应等进行考虑。

7 结语

在时代飞速发展的今天，超声电机通用驱动控制器还没有进行大规模的生产与研制。其中，电机性能的提高也必须与电机传动机理的研究、结构、材料、工艺等息息相关。除此之外，驱动控制技术也是影响电机性能的重要因素之一。综上所述，为提高电机麦控制技术必须从以下方面入手：①驱动电路简约化设计，建立专门的集成电路；②加强驱动电路的通用性与可换性，提高超省电机的使用率与普及性；③提高驱动电路的智能化，保证其工作效率；④将电机与驱动电路合为一体，保证超声电机以及驱动电路的综合能力；⑤研制并深化控制方法，保证超省电计的性能最大化。

［1］张铁民.超声电机的驱动控制［J］.现代制造工程，2014，（3）.

［2］梁大志，时运来，朱华，等.超声电机驱动及控制技术的新进展［J］.振动测试与诊断，2013，（6）.

2014年度吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目“通用超声电机驱动控制器的研发”吉教科合字【2014】第592号。

郝铭（1969-），男，吉林吉林人，博士，副教授，主要研究方向：超声电机本体及驱动控制。