自校正式超声波电机步进控制系统及方法与流程

本发明属于超声波电机的控制技术领域，尤其涉及一种自校正式超声波电机步进控制系统及方法。

背景技术：

超声波电机作为新型电机，具有低速大转矩、动作响应快、断电自锁、无噪声、无电磁干扰等优点，广泛应用于航空航天、精密仪器仪表、机器人关节驱动等领域。超声波电机结构设计灵活、设计形式多样，可以根据不同的工作模态和驱动原理，设计出不同形式与功能的超声波电机。

目前，超声波电机的步进控制需要接入位置传感器形成闭环进行位置信息反馈，缺点在于在多步运行的时候将不可避免造成累积误差，并且复杂的反馈与控制装置限定了设备小型化的发展。自校正式步进超声波电机不需要复杂的反馈系统即可实现无累积误差的步进运行，合理的控制方法能使电机运行稳定，输出大力矩，获得能达到电磁电机水平的输出性能与可靠性。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种自校正式超声波电机步进控制系统及方法，通过反馈电流形成闭环回路，实现超声波电机无累积误差步进运行。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种自校正式超声波电机步进控制系统，包括上位机、通讯模块、控制模块、驱动模块、自校正式超声波电机和反馈模块；上位机用于发出指令，并通过通讯模块发送至控制模块；控制模块接收指令后，通过驱动模块调节施加在电机上的电压；向电机施加驱动电压，电机转动，电机电流由反馈模块采集并反馈至控制模块；电机弹性叶片卡入定位槽，电机停止转动，电流产生波动，反馈至控制模块，将施加在电机上电压降为零；间隔上位机设定的定位时长后，控制模块重新向电机施加驱动电压，弹性叶片冲出定位槽，电机开始稳定运转至下一个定位槽。

进一步地，所述自校正式超声波电机为径向振动的驻波型超声波电机；电机定子包括压电陶瓷环、金属环与弹性叶片，金属环在压电陶瓷环外侧，弹性叶片均匀焊接在金属环外；电机转子为圆筒形，内部沿圆周方向开有若干定位槽，定位槽宽度、深度及形状相同。

进一步地，所述控制模块为dsp控制器，使用模块包括sci模块、pwm模块与模数转换模块；sci模块为串口通信接口模块，用以接收上位机信号；pwm模块通过调节pwm波占空比来调节施加在电机上的电压；模数转换模块接收来自反馈模块的信号。

进一步地，所述通讯模块包括rs232接口与电平转换芯片；rs232接收上位机信号，经过电平转换芯片发送至控制模块。

进一步地，所述驱动模块为推挽型开关驱动电路，将直流信号逆变为交流信号，并将低压信号升压为能够驱动电机的高压信号。

进一步地，所述反馈模块为采样电路，进行电流采样，得到电压值反馈至模数转换模块。

一种自校正式超声波电机步进控制方法，包括步骤：

(1)上位机发出指令，通过rs232接口，经过电平转换芯片给dsp控制器开始信号，设定超声波电机定位时长；

(2)dsp控制器的sci模块接收上位机指令，pwm模块输出pwm波，通过推挽开关驱动电路向超声波电机施加驱动电压，驱动电机转动；

(3)当弹性叶片卡入定位槽，电机停止转动，电流发生波动，采样电路得到波动信号，反馈至模数转换模块；

(4)dsp控制器接收反馈信号，调节pwm模块占空比，将施加电压降为零，确保电机完成步进运动；

(5)间隔上位机设定的定位时长后，重新向电机施加驱动电压，弹性叶片冲出弹簧槽，电机开始稳定运转至下一个定位槽。

有益效果：本发明的自校正式超声波电机与普通超声波电机相比，机械结构设计特殊，不需要位置传感器来反馈位置信息即可实现无累积误差的步进运行；使用采样电阻构成闭环反馈电路，电路简单，降低成本，且有利于微型化设计；通过调节dsp控制芯片输出pwm波的占空比来调节电机电压，实现电机的关断与启动，避免切换工作方式引起的失步或者多步的问题；相比较开环控制，闭环反馈控制精确，并且控制灵活，通过上位机可以改变步进运行中的时间间隔。

附图说明

图1是本发明自校正式超声波电机的定转子结构图；

图2是本发明步进控制系统结构图；

图3是本发明驱动模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述的自校正式超声波电机，定子结构由金属弹性体、压电陶瓷环以及弹性叶片构成，金属环在压电陶瓷环外侧，弹性叶片以焊接的方式均匀分布在金属弹性体外。转子结构为圆筒形，转子内侧有多个宽度、形状、大小相等的定位凹槽。电机实现步进运行的关键在于弹性叶片运行至凹槽，由于槽的定位作用使得转子停止旋转，完成步进运动。

如图2所示，基于电流检测的自校正式超声波电机步进控制系统包括上位机、通讯模块、控制模块、驱动模块、自校正式超声波电机以及反馈模块。

通讯模块包括rs232接口与电平转换芯片。dsp控制器的gpio引脚的端口为ttl电平，但rs232接口使用正负电压来表示逻辑状态，与ttl以高低电平表示逻辑状态不同，所以需要电平转换芯片进行逻辑转换来实现gpio输出电平与rs232信号电平之间的兼容，实现dsp与上位机的数据接收与发送。

控制模块为dsp芯片tms320f28335，使用模块包括sci模块、pwm模块与模数(a/d)转换模块。sci模块为串口通信接口模块，用以接收上位机信号。pwm模块输出pwm波，通过调节pwm波的占空比来调节施加在电机上的电压。模数(a/d)转换模块接收来自反馈模块的信号。

驱动模块为推挽型开关驱动电路，将直流信号逆变为交流信号并将低压信号升压为能够驱动电机的高电压信号。如图3所示，开关管q1、q2交替导通，在变压器的一次侧绕组两端产生相位相反的交流电压。

反馈模块为采样电路。使用采样电阻进行电流采样，得到电压值反馈至dsp控制器的模数(a/d)转换模块。

自校正式超声波电机步进控制方法，在一个周期内的具体控制方式：

(1)上位机发出指令，通过rs232接口给dsp开始信号，设定超声波电机定位时长；

(2)dsp控制器的sci模块接收上位机指令，pwm模块输出pwm波，通过推挽开关驱动电路向超声波电机施加峰峰值为100v的驱动电压，驱动电机转动。

电机受到单相电压驱动，压电陶瓷产生一阶径向振动，弹性叶片产生挤压变形，通过摩擦力推动转子稳定旋转。

采样电路反馈正常运行时的电流值至dsp控制器的模数转换模块，电流值约为110ma；

(3)当弹性叶片卡入定位槽，由于定位凹槽的作用，转子停止旋转；

(4)弹性叶片卡入定位槽，电机电流发生波动，波动电流值约为175ma，约为正常运行时的电流值的1.5-1.6倍。

采样电流通过采样电阻采样得到，传递至dsp模数(a/d)转换模块。

(5)dsp控制器接收信号，pwm模块调节占空比，施加电压降为零，防止电机失步或多步运行，确保电机完成步进运动；

(6)间隔上位机设定的定位时长后，在电机上施加驱动电压，弹性叶片冲出定位槽，电机开始稳定运转至下一个定位槽。

综上，对自校正式步进电机进行基于电流检测的步进控制，使电机进行闭环控制下的步进运行。该控制方式使得电机进行稳定、精确的步进运行，并可通过上位机调节步进间隔时长。