专利名称：一种超声马达驱动控制电路及系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种驱动控制电路和一种驱动控制系统，特别是一种带有数字脉 宽调制接口的行波超声马达驱动控制电路及利用该控制电路的系统。
背景技术：
超声马达(Ultrasonic Motor)又称为压电马达或超声电动机，英文简称USM，是 利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为机械振动能，并依靠摩擦力来驱动的一种新型 驱动器。超声马达分为行波超声马达和驻波超声马达两种，目前应用在光学精密仪器、微机 械、机器人、流体测量和医疗器械等诸多领域。目前，尚没有模块化和商品化的超声马达通用驱动控制器，由于超声马达属于新 型驱动装置，针对超声马达的驱动控制还处于比较初级和落后的阶段，其驱动控制技术尚 需解决如下问题(1)驱动电路小型化、简单化，使用专用的集成电路；(2)驱动电路模块 化，提高驱动电路的通用性和可换性，便于超声马达的普及；(3)驱动电路的智能化，将控 制策略及频率自适应跟踪技术与驱动电路一体化，提高系统的效率和鲁棒性；(4)驱动电 路一体化，将马达和驱动电路作为一个系统，在满足功能要求前提下，综合提高超声马达及 驱动电路的工作效率。
实用新型内容为了解决上述的技术问题，本实用新型的目的是提供一种简单可靠、输出信号稳 定、带有数字脉宽调制接口的超声马达驱动控制电路。本实用新型的另一个目的是提供一种控制稳定可靠且集成度高的超声马达驱动 控制系统。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是—种超声马达驱动控制电路，包括驱动信号发生电路和控制信号发生电路，所述 驱动信号发生电路的输出端连接有移相电路，所述移相电路的输出端连接有数据选择控制 电路，所述数据选择控制电路的输出端连接有功率放大电路，所述功率放大电路的输出端 连接有电压调节与阻抗匹配电路，所述电压调节与阻抗匹配电路的输出端为驱动马达的接 口，所述控制信号发生电路的输出端连接有占空比数字调节电路，所述占空比数字调节电 路的输出端与数据选择控制电路的输入端相连接，所述占空比数字调节电路的另一输入端 为计算机数字控制接口。一种超声马达驱动控制系统，包括驱动信号发生电路，所述驱动信号发生电路的 输出端连接有移相电路，所述移相电路的输出端连接有数据选择控制电路，所述数据选择 控制电路的输出端连接有功率放大电路，所述功率放大电路的输出端连接有电压调节与阻 抗匹配电路，所述电压调节与阻抗匹配电路的输出端连接有行波超声马达，所述行波超声 马达的输出端连接有速度检测电路，所述速度检测电路的输出端连接有计算机数字控制电 路，所述计算机数字控制电路的输出端连接有占空比数字调节电路，所述占空比数字调节电路的另一输入端连接有控制信号发生电路，所述占空比数字调节电路的输出端与数据选 择控制电路的输入端连接。本实用新型的有益效果是本超声马达驱动控制电路结构紧凑且一体化、集成度 高；驱动电路模块化，提高驱动电路的通用性和可替换性，便于超声马达的应用普及；驱动 电路的智能化，将控制策略及频率自适应跟踪技术与驱动电路一体化，提高控制电路的效 率、可靠性和鲁棒性。本实用新型的另一个有益效果是本超声马达驱动控制系统实现了高集成度的闭 环控制，智能化超声马达控制系统将控制策略及频率自适应跟踪技术与驱动电路一体化， 提高整个系统的效率、可靠性和鲁棒性。
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1是本实用新型的模块方框图；图2是本实用新型的超声马达信号发生与控制电路原理图；图3是图2各个信号节点的波形图；图4是本实用新型的超声马达控制调节器电路原理图；图5是本实用新型的功率放大电路原理图。
具体实施方式
参照图1，一种超声马达驱动控制电路，包括驱动信号发生电路1和控制信号发生 电路6，所述驱动信号发生电路1的输出端连接有移相电路2，所述移相电路2的输出端连 接有数据选择控制电路3，所述数据选择控制电路3的输出端连接有功率放大电路4，所述 功率放大电路4的输出端连接有电压调节与阻抗匹配电路5，所述电压调节与阻抗匹配电 路5的输出端为驱动马达的接口，所述控制信号发生电路6的输出端连接有占空比数字调 节电路7，所述占空比数字调节电路7的输出端与数据选择控制电路3的输入端相连接，所 述占空比数字调节电路7的另一输入端为计算机数字控制接口。继续参照图1，一种超声马达驱动控制系统，包括驱动信号发生电路1，所述驱动 信号发生电路1的输出端连接有移相电路2，所述移相电路2的输出端连接有数据选择控制 电路3，所述数据选择控制电路3的输出端连接有功率放大电路4，所述功率放大电路4的 输出端连接有电压调节与阻抗匹配电路5，所述电压调节与阻抗匹配电路5的输出端连接 有行波超声马达10，所述行波超声马达10的输出端连接有速度检测电路9，所述速度检测 电路9的输出端连接有计算机数字控制电路8，所述计算机数字控制电路8的输出端连接有 占空比数字调节电路7，所述占空比数字调节电路7的另一输入端连接有控制信号发生电 路6，所述占空比数字调节电路7的输出端与数据选择控制电路3的输入端连接。参照图2和图3，信号产生一般由一个波形发生装置产生频率可调脉冲信号，经移 相后得到两路相位相差η /2的脉冲输出，本文中选用多功能函数发生器ICL8038实现超声 频率驱动信号的产生。函数发生器的供电电压须大于IOV才能起振，第9脚输出高频脉冲幅值与供电电 压相同，考虑到在电路中CMOS电平和控制环节中TTL电平的匹配，在电路中加入了分压电阻。移相功能由与非门⑶4011和J-K触发器⑶4027实现。在移相过程中，脉冲频率变为输入信号的1/2，因此需要波形发生器的可调频率能 达超声马达谐振频率的2倍以上，函数发生器输出频率可达IOOKHz以上，当4、5脚接电阻 阻值相等时，输出频率可由以下公式计算。f = 0. 33/ (RC)(1)式(1)中f为输出频率，当C = 800PF、R = 3. 9ΚΩ时。多功能函数发生器输出方 波的最高输出频率为105. 7KHz，移相后最高频率在50KHz以上，能够满足超声马达驱动要 求。频率调节通过改变函数发生器第8脚电压实现，因为超声马达的谐振范围较窄， 在电路中通过两个不同大小的电位器完成频率的粗调和微调功能。移相后的脉冲信号接入 数据选择器CD4019实现两路信号超前滞后的选择。参照图4，超声马达脉宽调节控制部分分别由555定时器(NE555)、八位计数器 (HC393)、数字比较器(HC688)、数据选择器(CD4019)、J-K触发器(CD4027)和一些逻辑门 电路构成，数据选择器八个输入端分别为相位相差+ π /2和-π /2的信号方波。由555定时器产生高频方波信号接入计数器，计数器的8位输出分别和两个8位 数据比较器相连。两个比较器的比较端PO Ρ7管脚分别接高电平和八位计算机调节端以 实现数字脉宽调制信号产生。当计数器的八位全为高电平时，B端输出负脉冲；计数器输出与计算机数字输出 相等时，A端输出负脉冲。设A、B输出负脉冲的时间间隔为K · Τ0，K的取值通过调节计算 机数字接口输出实现。因此可以把256 · TO作为一个PWM周期，Κ/256作为脉宽调制占空 比，产生D、E端的占空比可调波形，接在数据选择器⑶4019两个选通端口 sa和sb，分别选 通a0-a3及b0-b3的输入。定义K KS 255)为占空比调节系数，通过调节K的取值调 节一个PWM周期内两相相位差为+ π /2和-π /2脉冲的个数比，即改变一个周期内驱动马 达正向运动和反向运动脉冲的个数比，最终达到控制速度的目的。当0 < K < 128时马达 正向运动，128 < K < 256时马达反向运动。参照图5，从数据选择器输出的信号要经过整流和功率放大，再经过变压调节最后 接到超声马达。传统的驱动方式一般要经过很多的功率MOSFET构成逆变电桥完成上述任 务，但驱动MOSFET须要在中间加入一些原理复杂、价格较贵的驱动芯片，使得这种驱动方 式电路复杂、成本较高。此外同种元件性能的差异及不同元件间线路连接与相互匹配也使 得电路稳定性和可修复性较差。本设计采用了一种双H桥功率集成驱动器L298，可以完成 TTL电路输出信号整形和功放功能。双H桥功率集成驱动器L298是一种全桥逆变电桥，通过两个选通端(6、11脚)高 电平分别选通两路功率放大通道。通过调节SEN A和SEN B端口电阻可以实现过载保护功 能，同时可以将电阻两端电压作为信号反馈。经过外接二极管整流和功放可放大TTL输入 端的两相相位相差η/2的方波信号。驱动器有四个功率输出端，可直接接感性负载，经过 脉冲变压器升压后再通过合理设计阻抗匹配，可直接驱动行波超声波马达。对中小型功率 的超声波马达该驱动器不但性能稳定、电路简单，同时使得功放环节的调节与修复变得更 加简便。以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可作出种种的等同变形 或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
权利要求一种超声马达驱动控制电路，其特征在于包括驱动信号发生电路(1)和控制信号发生电路(6)，所述驱动信号发生电路(1)的输出端连接有移相电路(2)，所述移相电路(2)的输出端连接有数据选择控制电路(3)，所述数据选择控制电路(3)的输出端连接有功率放大电路(4)，所述功率放大电路(4)的输出端连接有电压调节与阻抗匹配电路(5)，所述电压调节与阻抗匹配电路(5)的输出端为驱动马达的接口，所述控制信号发生电路(6)的输出端连接有占空比数字调节电路(7)，所述占空比数字调节电路(7)的输出端与数据选择控制电路(3)的输入端相连接，所述占空比数字调节电路(7)的另一输入端为计算机数字控制接口。
2.一种超声马达驱动控制系统，其特征在于包括驱动信号发生电路(1)，所述驱动信 号发生电路(1)的输出端连接有移相电路(2)，所述移相电路(2)的输出端连接有数据选择 控制电路(3)，所述数据选择控制电路(3)的输出端连接有功率放大电路(4)，所述功率放 大电路(4)的输出端连接有电压调节与阻抗匹配电路(5)，所述电压调节与阻抗匹配电路 (5)的输出端连接有行波超声马达(10)，所述行波超声马达(10)的输出端连接有速度检测 电路(9)，所述速度检测电路(9)的输出端连接有计算机数字控制电路(8)，所述计算机数 字控制电路⑶的输出端连接有占空比数字调节电路(7)，所述占空比数字调节电路(7)的 另一输入端连接有控制信号发生电路(6)，所述占空比数字调节电路(7)的输出端与数据 选择控制电路(3)的输入端连接。
专利摘要本实用新型公开了一种超声马达驱动控制电路及其系统，包括驱动信号发生电路和控制信号发生电路，所述驱动信号发生电路的输出端连接有移相电路，所述移相电路的输出端连接有数据选择控制电路，所述数据选择控制电路的输出端连接有功率放大电路，所述功率放大电路的输出端连接有电压调节与阻抗匹配电路，所述控制信号发生电路的输出端连接有占空比数字调节电路，所述占空比数字调节电路的输出端与数据选择控制电路的输入端相连接。本超声马达驱动控制电路结构紧凑且一体化、集成度高；驱动电路模块化，提高驱动电路的通用性和可替换性，便于超声马达的应用普及。本实用新型作为一种性能优良的超声马达驱动控制电路及系统广泛应用于传动控制领域中。
文档编号H02N2/00GK201663562SQ201020100499
公开日2010年12月1日 申请日期2010年1月22日 优先权日2010年1月22日
发明者李营, 王云飞 申请人:广州铁路职业技术学院