一种实现超声电机频率跟踪的微型装置及方法制造方法及图纸

一种实现超声电机频率跟踪的微型装置及方法，其中，微型装置包括控制模块、电机驱动模块、阻抗匹配模块、温度传感器模块、相位检测模块和电压有效值检测模块，控制模块包括微型单片机或DSP芯片；电机驱动模块用以产生两频率、相位差和电压值均可调的方波电压信号；阻抗匹配模块采用可变电感器；温度传感模块用以实时测量电机运行过程中的温度；相位检测模块用以检测电机激励电压和采集电压之间的相位差；电压有效值检测模块用于反映电机的振动状态。本发明专利技术不仅提高了超声电机转速的稳定性，而且有益于促进超声电机的微型化进程，使得集成有该微型驱动控制装置的超声电机，有望应用于微机器人以及体内医疗等对系统尺寸有较大限制的领域。

A miniature device and method for frequency tracking of ultrasonic motor

A micro-device and a method for realizing frequency tracking of ultrasonic motor are provided. The micro-device includes a control module, a motor driving module, an impedance matching module, a temperature sensor module, a phase detection module and a voltage effective value detection module. The control module includes a micro-chip microcomputer or a DSP chip; and the motor driving module is used for producing the ultrasonic motor. Square wave voltage signals with adjustable frequencies, phase differences and voltage values are generated; variable inductors are used in impedance matching module; temperature sensing module is used to measure the temperature in real-time during the operation of the motor; phase detection module is used to detect the phase difference between the excitation voltage and the acquisition voltage of the motor; and voltage RMS detection module is used to detect the phase difference between the excitation voltage and the acquisition voltage of the motor. It reflects the vibration state of the motor. The invention not only improves the stability of the rotational speed of the ultrasonic motor, but also promotes the miniaturization process of the ultrasonic motor, and makes the ultrasonic motor integrated with the micro-drive and control device, which is expected to be applied to the fields where the size of the system is greatly limited, such as the micro-robot and the medical treatment in vivo.

【技术实现步骤摘要】
一种实现超声电机频率跟踪的微型装置及方法
本专利技术涉及的超声电机领域，尤其涉及一种实现超声电机频率跟踪的微型装置及方法。
技术介绍
超声波电机是近年发展起来的一种新型电机，它利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将压电陶瓷的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。由于独特的运行机理,超声电机具有传统电磁式电机所不具备的优点，如体积小、质量轻、低速大转矩、无电磁干扰、噪声小、控制精度高、响应速度快等，在非连续运动领域及精密控制领域有广阔的应用前景。然而，为获得较大的输出力矩，超声波电机必须工作在某个最佳频率上。但由于超声波电机中压电陶瓷的介电系数、等效电容及漏电阻都会随电机运行中电机本体温度的升高发生变化，这将使得电机所需的最佳激励频率约有1～2kHz的变化。如果驱动频率不变，电机转速将明显下降。为了稳定地驱动超声波电机，有必要根据温度的变化自动调节驱动频率，以跟踪超声波电机谐振频率的变化。但，目前实现超声电机频率自动跟踪控制的主要途径有两大类：一是利用附着在定子上的压电陶瓷孤极，通过其反馈电压来反映定子的振动状态，亦称为基于传感器的频率跟踪方法，它不适用于无法安装或构造传感器的超声电机，并且该压电陶瓷孤极只能用于反映定子的振动状态，造成了材料的浪费。同时，这种方法只适用于行波型超声电机的频率跟踪，适用范围较窄。另一类是利用电机的驱动电压、电流相位等驱动状态，亦称为无传感器的频率跟踪方法，但这种方法所要求的条件较苛刻，实现电路较复杂且参数的选择也较困难。另外，为促进超声电机微型化的应用需求，开发出微型化的电机驱动控制系统也是目前亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术中的问题，本专利技术提供一种实现超声电机频率跟踪的微型装置及方法，该装置实现方式简单、易于微型化，且结构简单、适用性广，并能精确实现超声电机频率跟踪的微型装置及方法。一种实现超声电机频率跟踪的微型装置，其特征在于：包括控制模块，所述控制模块的第一信息采集端与温度传感器模块相连，所述温度传感器模块用于实时检测超声电机运行过程中的温度；所述控制模块的第二信息采集端与相位检测模块的输出端相连，所述相位检测模块的第一信息采集端用于采集激励电压；所述相位检测模块的第二信息采集端通过压电陶瓷采集所述超声电机因振动引起的电压，记为采集电压，所述相位检测模块用于实时检测所述激励电压和采集电压的相位差；所述控制模块的第三信息采集端与电压有效值检测模块的输出端相连，所述电压有效值模块通过所述采集电压反映电机的振动状态；所述控制模块的输出端依次通过电机驱动模块和阻抗匹配模块为所述超声电机提供激励电压。为更好实现本专利技术中的装置，可进一步：所述温度传感器模块包括DS18B20Z温度传感器，或者LM74温度传感器，所述温度传感器贴附在所述超声电机的壳体上。为更好实现本专利技术中的装置，可进一步：所述相位检测模块包括双稳态触发器和TLV1702电压比较器，所述TLV1702电压比较器的两个输入端分别连接所述激励电压和采集电压，所述双稳态触发器用于判断所述激励电压的相位超前还是滞后所述采集电压的相位，并测量两者相位的时间差。为更好实现本专利技术中的装置，可进一步：电压有效值检测模块包含半波整流电路、电容滤波电路和AD转换电路，其中，半波整流电路利用二极管的单向导通特性，除去采集电压的负半周；电容滤波电路用以将经过二极管整流的电压信号平滑；AD转换电路用以将整流和滤波后的模拟电压值转换为数字信号，进而连接到控制模块。为更好实现本专利技术中的装置，可进一步：所述阻抗匹配模块采用串联电感匹配，用以抵消超声电机的电容特性。为更好实现本专利技术中的装置，可进一步：所述电机驱动模块采用集成化的可编程驱动芯片NSD1202。为更好实现本专利技术中的装置，可进一步：所述电机驱动模块用以产生两频率、相位差和电压值均可调的方波电压信号；所述阻抗匹配模块采用串联电感匹配技术，用以抵消所述超声电机的电容特性，使得施加在所述超声电机上的激励电压为正弦交变电压。一种实现超声电机频率跟踪的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对超声电机进行开环试运行，以找出所述超声电机的最优工作频率；步骤2：不断改变所述超声电机的激励频率，从而得到不同激励频率下激励电压和采集电压之间的相位差；步骤3：当所述超声电机转速最快时，将此时的激励频率记为最优激励频率，并得出激励电压和采集电压之间的相位差，记为预设值φ；步骤4：当所述超声电机的温度开始增加时，对所述超声电机进行闭环试运行，并不断降低激励电压的频率，直至激励电压和采集电压之间的相位差接近所述预设值φ；步骤5：重复所述步骤4，直至所述超声电机的温度不再增加；步骤6：根据采集到的所述超声电机的温度值、该温度值下的最优激励频率、以及不同温度值下激励电压和采集电压之间的相位差与激励频率的对应关系，建立修正表；步骤7：依据所述修正表，并根据所述超声电机的温度值及时调节所述激励频率，使所述激励电压和采集电压之间的相位差趋近所述预设值φ。为更好实现本专利技术中的方法，可进一步：所述步骤1中所述超声电机的最优工作频率，即为所述最优激励频率。为更好实现本专利技术中的方法，可进一步：所述激励电压和采集电压均为正弦交变电压。本专利技术的有益效果：本专利技术提出了一种实现超声电机频率跟踪的微型装置及方法，不仅大大提高了超声电机转速的稳定性，而且有益于促进超声电机的微型化进程，从而使得集成有该微型驱动控制装置的超声电机有望应用于微机械、微机器人以及体内医疗等对系统尺寸有很大限制的领域。具体地，与以往的超声电机驱动控制器相比，本专利技术所提出的微型装置主要有以下区别：首先，本专利技术中的电机驱动模块采用集成化的可编程驱动芯片，能够解决常规超声电机的驱动电路因采用分立元件MOS管、变压器以及稳压电源等使得驱动器难以微型化的问题。同时，控制模块选用了微型化的单片机，并且是一种CMOS微控制器，因此，当控制模块与电机驱动模块连接时，无需电平转换，益于简化系统电路。其次，为实现超声电机的频率跟踪功能，本专利技术通过稳定激励电压和采集电压之间的相位差来调节激励电压的频率。因此，相比以往的频率跟踪电路，本专利技术简化了相位检测模块所需的器件，并且当超声电机稳定运行的时候，用于检测电机运行状态的压电陶瓷片还可以用于施加激励电压，使得元件的利用率最大化。附图说明图1出示了本专利技术的结构框图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做详细说明。本专利技术中一种能精确实现超声电机频率跟踪的微型装置，具体如图1所示，包括控制模块、电机驱动模块、阻抗匹配模块、温度传感器模块、相位检测模块以及电压有效值检测模块。在超声电机定子本体外表面上粘贴有第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片，其中，第一压电陶瓷片用于施加激励电压，第二压电陶瓷片用于采集电机因振动引起的电压，以便检测电机的振动状态，所述控制模块的第二信息采集端与相位检测模块的输出端相连，所述相位检测模块的第一信息采集端用于采集激励电压；所述相位检测模块的第二信息采集端通过第二压电陶瓷采集所述超声电机因振动引起的电压，记为采集电压，所述相位检测模块用于实时检测所述激励电压和采集电压的相位差；同时，当电机温度不再增加，电机所需的激励频率不再偏移时，用于采集电压的第二压电陶瓷片也可用于施加激励电压，以增大电机的输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现超声电机频率跟踪的微型装置，其特征在于：包括超声电机和控制模块，所述控制模块的第一信息采集端与温度传感器模块相连，所述温度传感器模块用于实时检测超声电机运行过程中的温度；所述控制模块的第二信息采集端与相位检测模块的输出端相连，所述相位检测模块的第一信息采集端用于采集激励电压；所述相位检测模块的第二信息采集端通过压电陶瓷采集所述超声电机因振动引起的电压，记为采集电压，所述相位检测模块用于实时检测所述激励电压和采集电压的相位差；所述控制模块的第三信息采集端与电压有效值检测模块的输出端相连，所述电压有效值模块通过所述采集电压反映电机的振动状态；所述控制模块的输出端依次通过电机驱动模块和阻抗匹配模块为所述超声电机提供激励电压。

【技术特征摘要】
1.一种实现超声电机频率跟踪的微型装置，其特征在于：包括超声电机和控制模块，所述控制模块的第一信息采集端与温度传感器模块相连，所述温度传感器模块用于实时检测超声电机运行过程中的温度；所述控制模块的第二信息采集端与相位检测模块的输出端相连，所述相位检测模块的第一信息采集端用于采集激励电压；所述相位检测模块的第二信息采集端通过压电陶瓷采集所述超声电机因振动引起的电压，记为采集电压，所述相位检测模块用于实时检测所述激励电压和采集电压的相位差；所述控制模块的第三信息采集端与电压有效值检测模块的输出端相连，所述电压有效值模块通过所述采集电压反映电机的振动状态；所述控制模块的输出端依次通过电机驱动模块和阻抗匹配模块为所述超声电机提供激励电压。2.根据权利要求1所述的一种实现超声电机频率跟踪的微型装置，其特征在于：所述温度传感器模块包括DS18B20Z温度传感器，或者LM74温度传感器，所述温度传感器贴附在所述超声电机的壳体上。3.根据权利要求1所述的一种实现超声电机频率跟踪的微型装置，其特征在于：所述相位检测模块包括双稳态触发器和TLV1702电压比较器，所述TLV1702电压比较器的两个输入端分别连接所述激励电压和采集电压，所述双稳态触发器用于判断所述激励电压的相位超前还是滞后所述采集电压的相位，并测量两者相位的时间差。4.根据权利要求1所述的一种实现超声电机频率跟踪的微型装置，其特征在于：电压有效值检测模块包含半波整流电路、电容滤波电路和AD转换电路，其中，半波整流电路利用二极管的单向导通特性，除去采集电压的负半周；电容滤波电路用以将经过二极管整流的电压信号平滑；AD转换电路用以将整流和滤波后的模拟电压值转换为数字信号，进而连接到控制模块。5.根据权利要求1所述的一种实现超声电机频率跟踪的微型装置，其特征在于：所述控制模块用于输出频率控制字给所述电机驱动模块中的可...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冲，徐世周，王立，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41