专利名称：用于超声电机的无线驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种超声电机技术领域的系统，具体是一种用于超声电机 的无线驱动系统。
背景技术：
超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将材料的微观变 形转换为转子(动子)宏观运动的新型驱动器。与传统电磁式电机相比，超声电 机中的压电陶瓷片取代了电磁电机中成千上万圈的铜线，具有结构简单、紧凑、 扭矩/重量比大、响应快、断电自锁、不产生磁场，亦不受外界磁场干扰、功率 密度大(是电磁型的3-10倍)、运动准确等特点。因此，超声电机的体积可以做 得比较小，而与之相对的是，其驱动电路的体积可能比较庞大，且难以缩小尺寸， 限制了超声电机在某些领域，特别是生物医学工程等领域的进一步应用。在生物 医学工程领域，往往希望利用超声电机结构紧凑，体积小的特点，这就需要将超 声电机及其驱动电路相隔离，进而启发研究者们进行超声电机无线驱动技术的研 究。
无线驱动系统与超声电机配合使用，由于电源部分和负载部分相互分离，屏 蔽了复杂连线，同时利用超声电机本身的优良特性，适用于定位精度要求很高的 微创手术机器人，吞服式药物投放注射机器人、植入式人工脏器等生物医学工程 应用，也适用于多自由度航空机械臂等对灵敏度和精确度要求很高的其它应用。
该项技术尚处于起步阶段，从査询文献的结果来看，还没有相关的专利和论 文发表，仅一篇较为接近的，生体医工学(日本)，vol. 43， no. 4， 2005， 677-684， A Direct-drive Artificial Heart System Using an Ultrasonic Motor, 日本 的《医学与生物工程学》杂志上发表的《使用超声电机的直接驱动式人工心脏系 统》(2005年第43巻第4期第677-684页)文中提到了使用线圈非接触传递能量 的方式驱动超声电机，其中线圈以锁扣的拓扑方式无接触地传导磁场能量，虽然 能量传递效率非常高，但并未做到发射侧线圈和接收侧线圈的完全分离。 Japanese Journal of Applied Physics, vol. 47， no. 5， 2008， 4226—4230,Wireless Energy Transmission to Piezoelectric Components, 《日本应用物 理学报》上发表的《对压电器件进行无线供电》(2008年第47巻第5期第 4226-4230页)提到一种针对一般压电器件的无线能量传输方式，即在能量传输 侧由逆压电效应产生机械谐振，在能量接收侧由机械谐振引发压电效应，获得电 能，传输的能量很小(mW级)，且距离很近(mra级)，暂不具备实用价值。且该 无线能量传输方式虽适合普通压电器件，但并未针对超声电机专门设计，不适用 于超声电机。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于超声电机的无线驱动系 统，避免了公知的超声电机有线驱动系统连线复杂，驱动电路体积庞大等问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括控制模块、频率发生模块、 隔离模块、功放滤波模块、无线能量传输模块、超声电机、数据采集发送模块和 数据接收模块，其中控制模块的信号输出端连接到频率发生模块的信号输入端， 频率发生模块的信号输出端连接到隔离模块的信号输入端，隔离模块的信号输出 端连接到功放滤波模块的信号输入端，功放滤波模块的信号输出端连接到无线能 量传输模块的输入端，无线能量传输模块的输出端连接到超声电机，超声电机的 输出连接到数据采集发送模块，数据接收模块的信号输出端连接到控制模块的信 号输入端。
控制模块发送控制指令给频率发生模块，由其产生符合超声电机工作频率匹 配要求的方波信号，频率发生模块经过隔离模块实现信号的输入和输出电气隔 离，确保频率发生块不会受到后面功放滤波模块的冲击而损坏。隔离模块的输出 信号进入功放滤波模块进行功率放大，使得输出信号的电压和电流都符合要求， 信号进行功率放大的同时，通过保护电路进行短路、过流保护。超声电机的工作 状态信息被数据采集发送模块的传感器采集，初步处理后进行无线发送，数据接 收模块接收到状态信息后将其传递给控制模块；
所述的控制模块为嵌入式系统结构，用于预设初始值以及手动调节系统工作 状态，借助于数据接收模块，分析处理超声电机的工作参数，并据此自动调节超 声电机的工作状态。控制模块可通过计算机烧写程序后自动执行；也可以添加人 机交互接口，通过键盘手动控制，通过显示器读取参数值。
所述的频率发生模块根据输入端接收到的来自控制模块发送的控制指令输
5出与超声电机工作频率相匹配的方波信号。
所述的隔离模块包括电压跟随电路和隔离电路，其中电压跟随电路的信 号输出端分别连接到隔离电路的信号输入端。频率发生模块经过隔离和功放后输 出至功放滤波模块，然后将带有功率的信号输入到无线能量传输模块。
所述的功放滤波模块包括功放电路和滤波电路，其中功放电路对前级的 信号进行功率放大，满足超声电机供电的功率要求，然后滤波电路对其进行滤波， 滤去尖峰和高频成分，得到一路或者多路信号供后面的电路使用。
所述的无线能量传输模块包括发射侧电容、发射侧电感线圈和接收侧电感 线圈，其中发射侧电容和发射侧电感线圈采用串联或并联连接，发射侧电感线
圈和接收侧电感线圈发生无线能量传输，所述发射侧电容的容抗或发射侧电感线 圈的感抗可调，以满足在超声电机工作频率点上可以发生谐振。
当电容和电感发生谐振时，功率以磁场能量形式进行发射。接收侧电感线圈 以在超声电机工作频率点上可吸收最大磁场能量为标准进行绕制。发射侧和接收 侧电感线圈，均设计成薄形平面线圈，且封装在绝缘但不衰减磁场能量的壳体内。 同时壳体必须能够使线圈保持形状。线圈中心连线和线圈平面相互垂直时对超声 电机进行供电。
所述的超声电机为单路驱动超声电机或两路90度相差驱动的超声电机。
所述的数据采集发送模块包括传感器和数据无线发送电路，其中传感器 的输出端连接到数据无线发送电路输入端，传感器动态采集超声电机工作状态信 息，提交给数据无线发送电路进行无线发送。
所述的无线发送的数据通信模式可以是光通信模式或电磁场通信模式，其中 光通信是指进行光电转换，将电信号转化为近红外光信号进行无线发送，数据接 接收模块进行电光转换读取数据；电磁场通信是指借助专用的无线通信芯片发送 数据。常用地，将电压量转化为频率量再进行发送。
所述的数据接收模块接收数据采集发送模块发送来的超声电机工作状态信 息，并提交给控制模块进行数据处理。
本发明工作时，由控制模块发送指令控制频率发生模块产生一路或多路与超 声电机工作频率相匹配的方波信号，通过隔离模块输送到功放滤波模块进行功率 放大，提供发射侧电容和发射侧电感线圈发生谐振蓄积的功率，并以磁场能量的 形式进行发送，接收侧电感线圈捕捉发射的磁场能量，向超声电机供电。超声电机工作状态信息由数据采集发送模块采集，并无线发送至数据接收模块，并由数 据接收模块递交给控制模块进行数据分析，然后发出各种控制运行状态的命令， 用以实现闭环稳定的无线驱动。
与现有有线驱动技术相比，本发明将体积相对较大的驱动电源传输侧和接收 侧分离，超声电机只和简单紧凑的接收侧连接。同时利用超声电机具有电容负载 特性，将超声电机作为电路中的元件，从而避免了现有常用无线驱动技术中接收 侧的整流电路，减小了接收侧电路的体积和发热。在具体设计中，可将接收侧和 超声电机这两者构成的带负载工作部分的体积做得很小，而将负责处理控制的复 杂电路放在发射侧，从而避免驱动电源部分较大的重量和体积抵消超声电机本身 的优势，突破了驱动系统给超声电机应用带来的限制。
本发明适用于精度要求很高的超声电机作为动作器件的微创手术机器人，超 声电机驱动的植入式人工脏器等生物医学工程领域。尤其可以避免因为人工脏器 的能源更换而进行多次手术，并且将大大减小植入部分的体积和重量。
图l为实施例l结构示意图； 图2为实施例2结构示意图。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下 进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。
实施例1适用于具有单路驱动的超声电机。
如图1所示，本实施例包括控制模块l、频率发生模块2、隔离模块3、功放滤 波模块4、发射侧电容5、发射侧电感线圈6、接收侧电感线圈7、超声电机8、数 据采集发送模块9和数据接收模块10，其中控制模块l的信号输出端连接到频率 发生模块2的信号输入端，频率发生模块2的信号输出端连接到隔离模块3的信号 输入端，隔离模块3的信号输出端连接到功放滤波模块4的信号输入端。功放滤波 模块4的信号输出端连接到无线能量传输模块发射侧电容5，发射侧电容5与发射 侧电感线圈6相连。接收侧电感线圈7连接到超声电机8，超声电机8的输出连接到 采集发送模块9，数据接收模块10的信号输出端连接到控制模块1的信号输入端。
本实施例在具体实施时，首先将程序烧写在控制模块l中，通过自动或手动操作其人机交互接口 ，控制频率发生模块2使其产生一路符合超声电机工作频率 匹配要求的方波信号，频率发生模块2经过隔离模块3实现信号的输入和输出电气 隔离，确保频率发生模块不会受到后面功放滤波模块的冲击而损坏。隔离模块3 的输出信号进入功放滤波模块4进行功率放大，该功率信号提供发射侧电容5和发 射侧电感线圈6进行谐振的功率，并以磁场能量形式发射，接收侧电感线圈7捕捉 发射的磁场能量，向超声电机8供电，超声电机8的工作状态信息由数据采集发送 模块9的传感器采集，初步处理后进行无线发送，数据接收模块10接收到状态信 息后将其传递给控制模块l。
本实施例功放电路采用全桥拓扑结构，该全桥拓扑结构包含四个能够快速恢 复的功率半导体开关，对控制模块l中的微处理器迸行编程，得到数字信号，控 制频率发生模块2产生可变的频率信号，经过隔离模块3，并由此分出时序不同频 率相同的四路信号，驱动在四个功率半导体开关产生功率交变信号。功率交变信 号经过滤除杂波接发射侧电容5，发射侧电容5和发射侧电感线圈6被设计成并联 或串联谐振，发射侧电容5可选用可调谐电容，以满足调节谐振频率的需要。发 射侧电容5和发射侧电感线圈6中产生谐振的同时蓄积功率。接收侧电感线圈7用 以接收能量。无线供电系统的两电感线圈，均设计成薄形平面线圈，且封装在绝 缘但不衰减磁场能量的壳体内。同时壳体必须能够使线圈保持形状。线圈中心连 线和线圈平面相互垂直时对超声电机进行供电。这是无线供电部分。
系统中的数据采集发送模块9采集超声电机工作状态信息，无线发送给数据 接收模块10并最终传递给控制模块1进行处理。无线发送采用光通信模式，使用 振幅键控法(A卿litude Shift keying)调制，数据传输侧设置调制电路，进行 光电转化，将电信号调制成近红外光信号，数据接收侧设置解调电路，进行电光 转换，将近红外光信号解调至电信号。这是数据无线传输部分。
上述无线供电部分和数据无线传输部分一起共同构成闭环可控的无线驱动 系统。
实施例2适用于需要两路相差有90度驱动的超声电机。
如图2所示，本实施例包括控制模块l、频率发生模块2、隔离模块3、功放 滤波模块4、发射侧电容5、发射侧电感线圈6、接收侧电感线圈7、超声电机8、 数据采集发送模块9和数据接收模块10，其中控制模块l的信号输出端连接到频 率发生模块2的信号输入端，频率发生模块2的信号输出端分两路分别连接到两个结构相同的隔离模块3的信号输入端，频率发生模块2输出的两路信号频率相同、 相位相差90度。所述的隔离模块3的信号输出端分别连接到两个结构相同的功放 滤波模块4的信号输入端。所述的功放滤波模块4的信号输出端分别连接到两个结 构相同的无线能量传输模块发射侧电容5，发射侧电容5与发射侧电感线圈6相连。 接收侧电感线圈7连接到超声电机8，超声电机8的输出连接到采集发送模块9，数 据接收模块10的信号输出端连接到控制模块1的信号输入端。
本实施例在具体实施时，首先将程序烧写在控制模块l中，通过自动或手动 操作其人机交互接口，控制频率发生模块2使其产生两路频率相同、相位相差90 度，且符合超声电机工作频率匹配要求的方波信号，频率发生模块2经过隔离模 块3实现信号的输入和输出电气隔离，确保频率发生模块不会受到后面功放滤波 模块的冲击而损坏。两隔离模块3的输出信号进入功放滤波模块4进行功率放大， 该功率信号提供发射侧电容5和发射侧电感线圈6发生谐振的功率，并以磁场能量 形式发射，两接收侧电感线圈7捕捉发射的磁场能量，向超声电机8提供两路具有 90度相差的驱动电压，超声电机8的工作状态信息由数据采集发送模块9的传感器 采集，初步处理后进行无线发送，数据接收模块10接收到状态信息后将其传递给 控制模块l;
本实施例功放电路采用全桥拓扑结构，该全桥拓扑结构包含四个能够快速恢 复的功率半导体开关，对控制模块l中的微处理器进行编程，得到数字信号，控 制频率发生模块2产生频率信号，经过隔离模块3，并由此分出时序不同频率相同 的四路信号，驱动在四个功率半导体开关产生功率交变信号。功率交变信号经过 滤除杂波接发射侧电容5，发射侧电容5和发射侧电感线圈6被设计成并联或串联 谐振，发射侧电容5可选用可调谐电容，以满足调节谐振频率的需要。发射侧电 容5和发射侧电感线圈6中产生谐振的同时蓄积功率。接收侧电感线圈7用以接收 能量。无线供电系统的两电感线圈对，均设计成薄形平面线圈，且封装在绝缘但 不衰减磁场能量的壳体内。同时壳体必须能够使线圈保持形状。线圈中心连线和 线圈平面相互垂直时对超声电机进行供电。两电感线圈对的对应线圈之间需保证 一定距离，防止产生干扰。这是无线供电部分。
系统中的数据采集发送模块9采集超声电机工作状态信息，无线发送给数据 接收模块10并最终传递给控制模块1进行处理。无线发送采用光通信模式，使用 振幅键控法(Amplitude Shift keying)调制，数据传输侧设置调制电路，进行
9光电转化，将电信号调制成近红外光信号，数据接收侧设置解调电路，进行电光 转换，将近红外光信号解调至电信号。这是数据无线传输部分。
上述无线供电部分和数据无线传输部分一起共同构成闭环可控的无线驱动 系统。
由上述实施例可以看出，体积相对较大的发射侧驱动电源和接收侧超声电机 分离，去除了有线驱动技术中的复杂连线。又因为超声电机具有电容负载特性， 超声电机作为电路中的元件，和接收侧电感线圈一起，构成谐振电路，结构十分 简单。在具体设计中，可将电感线圈和带负载的超声电机构成的接收侧体积做得
比较小，而将负责控制处理的复杂电路全部置于发射侧。这就避免了驱动电源部 分较大的重量和体积。
权利要求
1、一种用于超声电机的无线驱动系统，其特征在于，包括控制模块、频率发生模块、隔离模块、功放滤波模块、无线能量传输模块、超声电机、采集发送模块和数据接收模块，其中控制模块的信号输出端连接到频率发生模块的信号输入端，频率发生模块的信号输出端连接到隔离模块的信号输入端，隔离模块的信号输出端连接到功放滤波模块的信号输入端，功放滤波模块的信号输出端连接到无线能量传输模块的输入端，无线能量传输模块的输出端连接到超声电机，超声电机的输出连接到采集发送模块，数据接收模块的信号输出端连接到控制模块的信号输入端。
2、 根据权利要求l所述的用于超声电机的无线驱动系统，其特征是，所述的 控制模块为嵌入式系统结构，借助于数据接收模块，分析处理超声电机的工作参 数，并据此自动调节超声电机的工作状态。
3、 根据权利要求l所述的用于超声电机的无线驱动系统，其特征是，所述的 频率发生模块根据输入端接收到的来自控制模块发送的控制指令输出与超声电 机工作频率相匹配的方波信号。
4、 根据权利要求l所述的用于超声电机的无线驱动系统，其特征是，所述的 隔离模块包括电压跟随电路和隔离电路，其中电压跟随电路的信号输出端分 别连接到隔离电路的信号输入端。
5、 根据权利要求l所述的用于超声电机的无线驱动系统，其特征是，所述的 功放滤波模块包括功放电路和功放滤波电路，其中功放电路对前级的信号进 行功率放大，满足超声电机供电的电压、电流和功率要求，然后功放滤波电路对 其进行滤波，滤去尖峰和高频成分，得到一路或者多路信号供后面的电路使用。
6、 根据权利要求l所述的用于超声电机的无线驱动系统，其特征是，所述的 无线能量传输模块包括发射侧电容、发射侧电感线圈和接收侧电感线圈，其中 发射侧电容和发射侧电感线圈采用串联或并联连接，发射侧电感线圈和接收侧电 感线圈发生无线能量传输，该发射侧电容的容抗或电感的感抗可调，以满足在超 声电机工作频率点上可以发生谐振。
7、 根据权利要求l所述的用于超声电机的无线驱动系统，其特征是，所述的超声电机为单路驱动超声电机或两路90度相差驱动的超声电机。
8、根据权利要求l所述的用于超声电机的无线驱动系统，其特征是，所述的 数据采集发送模块包括传感器和数据无线发送电路，其中传感器的输出端连接到数据无线发送电路输入端，传感器动态采集超声电机工作状态信息，提交给 数据无线发送电路进行无线发送。
全文摘要
一种超声电机技术领域的用于超声电机的无线驱动系统，包括控制模块、频率发生模块、隔离模块、功放滤波模块、无线能量传输模块、超声电机、采集发送模块和数据接收模块，其中控制模块的信号输出端连接到频率发生模块的信号输入端，频率发生模块的信号输出端连接到隔离模块的信号输入端，隔离模块的信号输出端连接到功放滤波模块的信号输入端，功放滤波模块的信号输出端连接到无线能量传输模块的输入端，无线能量传输模块的输出端连接到超声电机，超声电机的输出连接到采集发送模块，数据接收模块的信号输出端连接到控制模块的信号输入端。本发明相比现有技术在体积和重量上有效降低。
文档编号G08C17/00GK101567643SQ200910052469
公开日2009年10月28日 申请日期2009年6月4日 优先权日2009年6月4日
发明者驰 张, 凌 李, 明 杨 申请人:上海交通大学