圓柱形多自由度超聲波電動機(jī)驅(qū)動電路的研究
摘要：根據(jù)圓柱形多自由度超聲波電動機(jī)的工作原理、特點(diǎn)，提出了驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)此要求提出了一種驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)方案，并分析了其原理和特性。針對該設(shè)計(jì)方案存在的不足，列驅(qū)動電路進(jìn)行了改進(jìn)，較好地滿足了電機(jī)驅(qū)動和控制的要求。
關(guān)鍵詞：多目由度；超聲波電動機(jī)；驅(qū)動；控制；電路
O引言
超聲波電動機(jī)的驅(qū)動技術(shù)伴隨著超聲波電動機(jī)的產(chǎn)生、發(fā)展而同步發(fā)展。超聲波電動機(jī)的工作原理與傳統(tǒng)的電磁電動機(jī)不同，其驅(qū)動的方法也不同。因此，對超聲波電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究，既要借鑒電磁電機(jī)的方法，更要考慮超聲波電動機(jī)本身的特點(diǎn)。在單自由度超聲波電動機(jī)的驅(qū)動方而國內(nèi)同行已經(jīng)做了大量的、卓有成效的研究工作Il。J。而對多自由度超聲波電動機(jī)驅(qū)動技術(shù)的研究起步相對較晚。本文以自行研制的圓柱形多自由度超聲波電動機(jī)為對象，研究超聲波電動機(jī)的驅(qū)動電路，為該種電機(jī)的驅(qū)動和控制打F基礎(chǔ)。
1驅(qū)動電路的要求
圓柱形多自南度超聲波電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和[作原理如圖1所示。在三組壓電陶瓷元件PzT爿、B、c上分別施加合適的交流電壓時(shí)，可以激發(fā)出定子的三個(gè)工作模態(tài)：兩個(gè)二階彎振模態(tài)和一個(gè)一階縱振模態(tài)。當(dāng)兩個(gè)彎振(在時(shí)間、空間相位上均相差90。)合成時(shí)，就可以在定子的驅(qū)動端面(頭部)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動，進(jìn)而依靠定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦，驅(qū)使轉(zhuǎn)子繞：軸轉(zhuǎn)動；同理，當(dāng)一個(gè)彎振與“個(gè)縱振(在時(shí)間、空間相位卜亦均相差90。)合成時(shí)，就會驅(qū)使轉(zhuǎn)予繞x或y軸轉(zhuǎn)一動。
一般情況下，超聲波電動機(jī)是依靠超聲頻段的簡諧信號來激勵(lì)、驅(qū)動的，可以通過調(diào)節(jié)其激勵(lì)信號的相位、頻率和幅值之一來改變其運(yùn)動狀態(tài)。幽此，從超聲波電動機(jī)運(yùn)動控制的角度來講，有三種基本控制方法：相位差控制、頻率控制和電壓幅值控制。相位差控制的優(yōu)點(diǎn)是能以平滑的
速度變化實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，某些情況下有助于提高速度分辨率，缺點(diǎn)是具有強(qiáng)的非線性。從硬件角度講，相位差控制需要專門的相位調(diào)制電路，具有相調(diào)節(jié)功能的兩路信號發(fā)生器比其它控制方法復(fù)雜得多。頻率控制由于容易實(shí)現(xiàn)、能夠覆蓋整個(gè)速度范圍，被廣泛應(yīng)用于行波型超聲波電動機(jī)的控制。但由于這種方法不允許獨(dú)立地改變?nèi)齻�(gè)振動模態(tài)的激勵(lì)頻率，因而不能獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)對三個(gè)方向轉(zhuǎn)速的控制，所以頻率控制不適于多自由度超聲波電動機(jī)。電壓控制是通過改變激勵(lì)電壓的幅值來改變振動的振幅，進(jìn)而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法。電壓控制呈現(xiàn)良好的線性性質(zhì)，能取得良好的控制效果。即使采用經(jīng)典的控制器，如PID控制器，具有較好的魯棒性。因此本文將從調(diào)節(jié)電壓幅值角度，設(shè)計(jì)和分析多自由度超聲波電動機(jī)的驅(qū)動電路。
圖1電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理
根據(jù)圓柱形多自由度超聲波電動機(jī)的工作原理、特點(diǎn)及其電壓幅值控制的需要，其驅(qū)動電路(亦稱驅(qū)動電源)應(yīng)滿足如下要求：1)能提供滿足電機(jī)工作頻率要求的三路高頻驅(qū)動信號；2)能獨(dú)立地調(diào)節(jié)三路驅(qū)動信號的電壓幅值；3)能獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度運(yùn)動的啟動、停止和正反轉(zhuǎn)；4)三路驅(qū)動信號之間相位差能保持同相、反相或正交(90。或270。)；5)能與電機(jī)匹配，以提高驅(qū)動效率。
2驅(qū)動電路及其特性
按照圓柱形多自由度超聲波電動機(jī)驅(qū)動電路的上述要求，曾設(shè)計(jì)和試制了一種驅(qū)動電路，其原理如圖2所示。這是一個(gè)多自由度超聲波電動機(jī)調(diào)壓控制電路，由三個(gè)相同的電路模塊組成三
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