专利名称：用于超声电机的多频、宽带、双路驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声电机技术领域的驱动装置，特别涉及到一种用于超声电 机的多频、宽带、双路驱动装置。
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，具有结构紧凑，体积小， 低速、转矩大，响应快，断电自锁、功率密度大(是电磁型的3-IO倍)及不受电磁 干扰，运动准确等优点，在航空航天，机器人，医疗器械，精密仪器，汽车工业 等领域有着广泛的应用前景。然而超声电机由于绝对的输出力矩较小，限制了超 声电机在机器人等需要较大输出力矩等场合的应用。所以如何提高超声电机的输 出力矩，在国内、外一直是超声电机领域的研究热点，这也是扩大超声电机应用 领域的基础。
经对现有技术的文献检索发现，"美国电气与电子工程学会"的《超声波、 铁电材料和频率控制学报》上发表的《振子大小为8腿*2. 16mn^lmm的方形直线超 声电机的调幅驱动》(2006年第53巻第12期第2435-2441页)，和《利用双频驱 动提高方形直线超声电机的性能》(2004年12月第51巻第12期第1600-1606页)， 提出采用双频、调幅驱动，激发超声电机的高阶模态或支撑结构的振动，提高超 声电机的输出功率。然而，这里信号源是用两个信号发生器与加法器直接相加或 采用方波驱动单个攻率放大器实现的。实际上大多数超声电机是采用两路相移90 度，而且两个信号源直接相加并不能保证两个信号之间的相位差，因而文中提到 的方法并不具有通用性。
发明内容
本发明针对现有超声电机的驱动器(驱动电源)的不足，提供一个用于超声 电机的多频、宽带、双路驱动装置，该装置比公知装置频带宽，可提供双路多频率成分的信号驱动。通过对超声电机驱动电路的设计，使其满足超声电机的工作 需求，为多谐振超声电机的研究和开发打下重要的基础。该装置比已知的驱动装 置用途更广，其不但能给多谐振超声电机提供多频驱动，并且也能给一般的不同 结构的超声电机提供单频驱动。
本发明是通过以下技术方案来实现的
本发明包括信号发生电路、光耦隔离电路、复合反馈式功率放大电路和保护 电路，信号发生电路的信号输出端连接到光耦隔离电路的信号输入端，光耦隔离 电路的信号输出端连接到复合反馈式功率放大电路的信号输入端。复合反馈式功 率放大电路的端子连接相应的保护电路。信号发生电路经过光耦隔离电路实现信 号的输入和输出电气隔离，确保信号发生电路不会受到后面高电压电路的影响而 损坏。光耦隔离电路的输出信号进入复合反馈式功率放大电路进行功率放大，使 得输出信号的电压和电流都符合需求。信号进行功率放大的同时，通过保护电路 进行短路、过流等电路保护，提高电路的可靠性。
所述信号发生电路包括六路正弦信号发生电路和相应的滤波电路，六路正弦 信号发生电路的信号输出端连接到相应滤波电路的信号输入端。信号通过六路正 弦信号发生电路，分成两组正弦信号A、 B，每组信号都由三路正弦信号组成， 分别记为A1、 A2、 A3和B1、 B2、 B3。其中Al、 A2、 A3 (Bl、 B2、 B3)的初始相 位一样，频率各不相同。而A1和B1 ( A2和B2、 A3和B3)的频率一样。两组 信号分别通过相应的滤波电路进行滤波，得到两组六路比较纯正的正弦信号，供 后面的电路使用。
所述光耦隔离电路包括六路电压跟随电路、两路加法电路、两路反向电路、 四路光耦隔离电路、两路减法电路，六路电压跟随电路的信号输出端，每3个输 出端构成一组，共两组，分别连接到两路加法电路的信号输入端，两路加法电路 的信号输出端，分别同时连接到两路反向电路的信号输入端和四路光耦隔离电路 的两路，反向电路的信号输出端连接到剩下的两路光耦隔离电路的信号输入端。 连接到加法电路输出端和相应反向电路的输出端的两个光耦合隔离电路构成一 组，每一组光耦隔离电路的信号输出端，分别连接到两路减法电路的信号输入端。 信号通过六路电压跟随电路，提高各路信号的驱动能力。再分成两组信号输入到 两路加法电路中进行合成，同时可以放大电压幅值。信号从加法电路叠加输出后，一方面信号直接输入光耦隔离电路，进行信号的输入和输出的电气隔离，得到正 弦正半周信号的隔离信号； 一方面输入到反向电路，对信号进行反相。反相后的 信号输入到剩下的两路光耦隔离电路，进行输入和输出的电气隔离，得到正弦负 半周信号的隔离信号。这样从四路光耦隔离电路输出的四路信号，正半周隔离信 号和负半周隔离信号组成一组输入到减法电路，对信号进行减法合成，得到完整 的正弦信号。合成信号输出供后面的电路使用。
所述复合反馈式放大电路包括前置运算放大电路和后级功率放大电路，前置 运算放大电路的信号输出端连接到后级功率放大电路的信号输入端，合成信号通 过前置运算放大电路进行初步放大，并提高驱动能力，然后输入到后级功率放大 电路，对信号进行功率放大。
所述保护电路包括过热保护电路、输出对地或电源短路保护电路，过热保护 电路连接在复合反馈式放大电路中的后级功率放大电路芯片，复合反馈式放大电 路的信号输出端连接到输出对地或电源短路保护电路的信号输入端。信号通过输 出对地或电源短路保护电路，进行限流保护。过热保护电路通过对后级功率放大 电路温度信号的提取、处理，对电路进行过热保护。信号通过保护电路输出后提 供给超声电机驱动使用。
本发明工作时，信号通过信号发生电路输出六路正弦信号，并且均分为两组 正弦信号，其中每一组都具有三路初始相位相同、频率不同的信号；而两组信号 对应的频率成分一样。两组三路信号输入到滤波电路，对信号进行相应的频率滤 波，这样可以得到比较纯正的正弦信号。滤波后的信号输入到光耦隔离电路，进 行信号的输入和输出的电气隔离，并同时提高信号的驱动能力，放大信号的电压 幅值。隔离后的信号随即输入到复合反馈式放大电路，进行功率放大，提高信号 的负载能力；并同时输入到保护电路，对信号进行相应的电路参数的保护，提高 电路的可靠性。最后输出信号给超声电机提供驱动电源。
当LabVIEW的数据采集卡或者FPGA输出六路正弦信号时，由于输出的六路 正弦信号的为高频率信号，所以需要对六路正弦信号进行分析滤波。滤波后的信 号需要通过驱动能力的放大，以驱动光耦隔离电路，进行电气隔离。隔离后的电 路再经过前置运算放大电路进行初次电压放大，再由后级功率放大电路放大功 率，经过一系列的电路保护输送到超声电机，提供超声驱动电源。与现有的技术相比，本发明通过LabVIEW的数据采集卡或者FPGA直接输出 六路正弦信号，避免了由滤波电路进行滤波得到正弦信号的不稳定性等电路问 题，以及不同结构超声电机需要不同的滤波电路带来的复杂问题。由于正弦信号 是由编程得到数字信号，再经过D/A转换而来，可以在计算机上方便地进行频率、 幅度的调节，更方便超声电机的扫频需求。六路正弦信号进行滤波隔离后采用后 级功率放大电路进行放大，避免了变压器的带宽限制。本发明输出信号电压高， 频带宽，用途比一般的驱动器(驱动电源)广，其不但能给多谐振超声电机提供 多频驱动，为多谐振超声电机的研究和开发打下了重要的基础，而且能为一般的 不同结构的超声电机提供单频驱动。
图1为本发明实施例总体结构框图2为本发明实施例中光耦隔离电路结构框图3为本发明实施例中复合反馈式放大电路和保护电路结构框图。
具体实施例方式
下面结合附图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。
如图1所示，本实施例包括六路正弦信号发生电路l、滤波电路2、光耦 隔离电路3、复合反馈式放大电路4、保护电路5，六路正弦信号发生电路l的 信号输出端连接到滤波电路2的信号输入端，滤波电路2的信号输入端连接到光 耦隔离电路3的信号输出端，光耦隔离电路3的信号输出端连接到复合反馈式放 大电路4的信号输入端，复合反馈式放大电路4通过保护电路5连接到超声电机 的信号输入端。
如图2所示，光耦隔离电路3包括六路电压跟随电路6、 7、 8、 9、 10、 11，第一加法电路12，第一反向电路13，第一光耦隔离电路14，第一减法电路 15、第二光耦隔离电路16，第二加法电路17，第二反向电路18，第三光耦隔离 电路19，第二减法电路20，第四光耦隔离电路21，电压跟随电路6、 7、 8的信 号输出端连接到第一加法器12的信号输入端，第一加法器12的信号输出端引出 一路到第一反向电路13的信号输入端，同时引出另一路到第一光耦隔离电路14的信号输入端，第一反向电路13的信号输出端连接到第二光耦隔离电路16的信 号输入端。第二光耦隔离电路16的信号输出端连接到第一减法电路15。电压跟 随电路9、 10、 11连接到第二加法器17的信号输入端，第二加法器17的信号输 出端引出一路到第二反向电路18的信号输入端，同时引出另一路到第三光耦隔 离电路19的信号输入端，第二反向电路18的信号输出端连接到第四光耦隔离电 路21的信号输入端。第四光耦隔离电路21的信号输出端连接到第二减法电路 20。
如图3所示，复合反馈式放大电路4包括前置运算放大电路22、功率放大 电路23。保护电路5包括输出对地或电源短路保护电路24、过热保护电路25， 前置运算放大电路22的信号输出端连接到功率放大电路23的信号输入端。功率 放大电路23的信号输出端连接到输出对地或电源短路保护电路24的信号输入 端。过热保护电路25连接到功率放大电路23。
六路正弦信号发生电路1产生六路正弦信号，分成两组正弦信号A、 B，每 组信号都由三路正弦信号组成，分别记为A1、 A2、 A3和B1、 B2、 B3。其中Al、 A2、 A3 (Bl、 B2、 B3)的初始相位一样，频率各不相同。而Al和Bl ( A2和B2、 A3和B3)的频率一样。该信号输入到滤波电路2，进行相应频率的滤波。滤波 后的六路正弦信号分别经过六路电压跟随电路6、 7、 8、 9、 10、 11，可以提高 驱动能力。信号通过第一加法电路12、第二加法电路17分为相应的两组A、 B， 每一组都包括相应的三路信号，Al、 A2、 A3和B1、 B2、 B3。由第一加法电路12 输出端输出的A组信号引出一路信号，经过第一反向电路13输入第一光耦隔离 电路14进行输入和输出的电气隔离，得到一路隔离信号；同时引出另一路信号 直接经过第二光耦隔离电路16，直接进行输入和输出的电气隔离，得到另一路 隔离信号。两路隔离信号通过第一减法电路15进行合成，这样可以得到一路完 整的正弦信号。由第二加法电路17得到的B组信号引出一路信号，经过第二反 向电路18输入第三光耦隔离电路19进行输入和输出的电气隔离，得到一路隔离 信号；同时引出另一路信号直接经过第四光耦隔离电路21，直接进行输入和输 出的电气隔离，得到另一路隔离信号。两路隔离信号通过第二减法电路20进行 合成，得到另一路完整的正弦信号。合成的正弦信号经过前置运算放大电路22 进行初次放大，输出信号到功率放大电路23的信号输入端，对信号进行功率放大。同时通过输出对地或电源短路保护电路24、过热保护电路25等进行一系列
的电路保护后输送给超声电机，提供超声驱动电源。 本实施例具体工作的实现包括以下过程
由LabVIEW的数据采集卡或者FPGA作为六路正弦信号发生电路1，输出六 路正弦信号，经过滤波电路2滤波，再由电压跟随电路6、 7、 8、 9、 10、 11和 加法电路12、 17分成两组各三路，两组的波形为相位差90度的方波或者正弦波， 每一组的三路频率可调成一致或者不一致，调成一致的时候，便可作为一般的驱 动电源使用；不一致的时候，即为多频驱动电源。该信号通过光耦隔离电路3进 行光电隔离，然后输出到复合反馈式放大电路4进行放大，输出两路放大的信号 经过进行输出对地或电源短路保护电路24、过热保护电路25等，向超声电机端 子供电。其中光耦隔离电路3和复合反馈式放大电路4由直流电源供电。
由上述实施例可以看出，通过LabVIEW的数据采集卡或者FPGA直接输出六 路正弦信号，避免了由阻容等模拟信号发生电路进行滤波得到正弦信号的不稳定 性等电路问题，以及不同结构超声电机需要不同的模拟信号发生电路带来的复杂 问题。并且可以在计算机上方便地进行频率、幅度的调节，更方便超声电机的扫 频需求。六路信号进行滤波隔离后采用功率放大电路进行放大，避免了变压器的 带宽和体积小型化的限制。该驱动器(驱动电源)输出信号电压高，频带宽，用 途比一般的驱动器(驱动电源)广，其不但能给多谐振超声电机提供多频驱动， 为多谐振超声电机的研究和开发打下了重要的基础，而且能为一般的不同结构的 超声电机提供单频驱动。
在实际操作中，上述装置的调整或者改变、所有的元件或者采用的材料可由 功能上相当的元件或者材料来代替，这些均应属于本发明的保护范围。
权利要求
1. 一种用于超声电机的多频、宽带、双路驱动装置，其特征在于，包括信号发生电路、光耦隔离电路、复合反馈式功率放大电路和保护电路，其中信号发生电路的信号输出端连接到光耦隔离电路的信号输入端，光耦隔离电路的信号输出端连接到复合反馈式功率放大电路的信号输入端，复合反馈式功率放大电路的端子连接相应的保护电路，所述信号发生电路经过光耦隔离电路实现信号的输入和输出电气隔离，确保信号发生电路不会受到后面高电压电路的影响而损坏，光耦隔离电路的输出信号进入复合反馈式功率放大电路进行功率放大，使得输出信号的电压和电流都符合需求，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。
2、 根据权利要求1所述的用于超声电机的多频、宽带、双路驱动装置，其 特征是，所述信号发生电路包括六路正弦信号发生电路和相应的滤波电路，六路 正弦信号发生电路的信号输出端连接到相应滤波电路的信号输入端，信号通过六 路正弦信号发生电路，分成两组正弦信号，每一组都具有三路初始相位相同、频 率不同的信号，而两组信号对应的频率成分一样，两组信号分别通过相应的滤波 电路进行滤波，得到两组六路比较纯正的正弦信号，供后面的电路使用。
3、 根据权利要求2所述的用于超声电机的多频、宽带、双路驱动装置，其 特征是，所述六路正弦信号发生电路为LabVIEW的数据采集卡或者FPGA。
4、 根据权利要求1所述的用于超声电机的多频、宽带、双路驱动装置，其 特征是，所述光耦隔离电路包括六路电压跟随电路、两路加法电路、两路反向电 路、四路光耦隔离电路、两路减法电路，六路电压跟随电路的信号输出端，每3 个输出端构成一组，共两组，分别连接到两路加法电路的信号输入端，两路加法 电路的信号输出端，分别同时连接到两路反向电路的信号输入端和四路光耦隔离 电路的两路，反向电路的信号输出端连接到剩下的两路光耦隔离电路的信号输入 端；连接到加法电路输出端和相应反向电路的输出端的两个光耦合隔离电路构成 一组，每一组光耦隔离电路的信号输出端，分别连接到两路减法电路的信号输入 端，信号通过六路电压跟随电路，提高各路信号的驱动能力，再分成两组信号输 入到两路加法电路中进行合成，同时放大电压幅值，信号从加法电路叠加输出后，一方面直接输入光耦隔离电路，进行信号的输入和输出的电气隔离，得到正弦正 半周信号的隔离信号，另一方面输入到反向电路，对信号进行反相，反相后的信 号输入到剩下的两路光耦隔离电路，进行输入和输出的电气隔离，得到正弦负半 周信号的隔离信号，这样从四路光耦隔离电路输出的四路信号，正半周隔离信号 和负半周隔离信号组成一组输入到减法电路，对信号进行减法合成，得到完整的 正弦信号，合成信号输出供后面的电路使用。
5、 根据权利要求1所述的用于超声电机的多频、宽带、双路驱动装置，其 特征是，所述复合反馈式放大电路包括前置运算放大电路和后级功率放大电路， 前置运算放大电路的信号输出端连接到后级功率放大电路的信号输入端，合成信 号通过前置运算放大电路进行初步放大，并提高驱动能力，然后输入到后级功率 放大电路，对信号进行功率放大。
6、 根据权利要求1所述的用于超声电机的多频、宽带、双路驱动装置，其 特征是，所述保护电路包括过热保护电路、输出对地或电源短路保护电路，过热 保护电路连接在复合反馈式放大电路中的后级功率放大电路芯片，复合反馈式放 大电路的信号输出端连接到输出对地或电源短路保护电路的信号输入端，信号通 过输出对地或电源短路保护电路，进行限流保护，过热保护电路通过对后级功率 放大电路温度信号的提取、处理，对电路进行过热保护，信号通过保护电路输出 后提供给超声电机驱动使用。
全文摘要
本发明涉及一种用于超声电机的多频、宽带、双路驱动装置，包括信号发生电路、光耦隔离电路、复合反馈式放大电路和保护电路。由信号发生电路产生六路正弦信号，通过滤波隔离输送到复合反馈式放大电路和保护电路进行保护放大，输出两路放大的信号，向超声电机端子供电。本发明通过对六路正弦信号直接滤波隔离放大，避免了由滤波电路进行滤波得到正弦信号的不稳定性等电路问题，和变压器的带宽和体积小型化的限制，以及不同结构超声电机需要不同的滤波电路带来的复杂问题。并且可以在计算机上方便地进行频率、幅度的调节，更方便超声电机的扫频需求。
文档编号H02N2/06GK101282094SQ20081003783
公开日2008年10月8日 申请日期2008年5月22日 优先权日2008年5月22日
发明者李世阳, 明 杨, 郑喆俊, 陈许英 申请人:上海交通大学