無變壓器的超聲波電機驅動器的製作方法

2023-10-18 04:59:19 2

專利名稱：無變壓器的超聲波電機驅動器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及到超聲電機的驅動器。
技術背景超聲波電機是近二十年來出現的一種全新概念的驅動裝置，和傳統的電磁 電機相比，具有慣性小、不受磁場影響、運轉寧靜、低速大扭矩、可直接帶動 負載、斷電自鎖、運動形式靈活多樣等特點。超聲波電機需要至少兩路相位相 差90°的高頻高壓信號來驅動。目前，超聲波電機驅動器大致分兩大類 一類是利用開關逆變技術(參見附圖12)，採用變壓器升壓，這種措施在國內使用比較普遍，但體積笨重，並且不同型號電機需要匹配不同型號的電源(如中國專利申請號為02138534.3的公開文獻)，通用性不好；另一類是採用直接數字合成信 號波形(參見附圖13)，這種措施雖實現了調頻、調相和調幅的調節，激勵信號 理想，但信號的產生採用了昂貴的DSP和DDS晶片，不僅大材小用、電路結 構複雜，而且價格昂貴(如中國專利申請號為03112679.0的公開文獻)。國內現 有的驅動器大都不具備同時調節頻率、調節相位差、調節輸出電壓峰峰值以及 調節輸出驅動波形佔空比的功能，這使驅動電源的應用領域受到很大的限制。 而且現有的驅動器均採用變壓器升壓，體積較大，不利於設備的小型化。隨著 機械微電子的快速發展對微型電機的需求越來越多，經常需要小於lcr^的微馬 達，由於超聲波電機的尺寸不受限制，在小型電機領域內更有發展前景。這使 得研製小尺寸超聲波電機驅動電源成為 一種必然。 實用新型內容為了解決超聲波電機驅動器需要變壓器驅動而帶來了體積大、適應性差和 成本高的問題，本實用新型提供了一種更適用於小型超聲電機的體積小、適應 性強、成本低的無變壓器的超聲波電機驅動器。無變壓器的超聲波電機驅動器，它包括單片機脈衝信號發生電路、直流升 壓電路、多路隔離驅動電路和多路橋式斬波電路，所述單片機脈衝信號發生電 路的含有相同頻率、佔空比和相位差的多路脈衝信號輸出端分別與多路隔離驅
動電路的信號輸入端連接，每路隔離驅動電路的信號輸出端與每路橋式斬波電 路的控制信號輸入端連接，每路橋式斬波電路的兩個電源端並聯在直流升壓電 路的直流驅動電壓輸出端Vout和電源地之間，每路橋式斬波電路輸出超聲波電 機的一路脈衝驅動信號。本實用新型的無變壓器的超聲波電機驅動器的優點有(一)、採用直流升 壓電路提供超聲波電機需要的驅動信號的峰峰值電壓，可調整範圍寬、輸出電 壓穩定、帶載能力強；(二)、採用單片機軟體控制輸出斬波用的數字脈衝信號， 能夠靈活調整輸出驅動信號的頻率、佔空比和相位差等參數；(三)、每路驅動信號產生電路都是獨立的，不但能夠根據實際需要的驅動信號的路數進行硬體靈活匹配，易於形成系列化產品，還方便維護與維修；(四)、電路結構模塊化， 方便批量生產；(四)、體積小、成本低。可以應用於超聲波電機的科研院所以 及超聲波電機應用領域，也可應用於超聲波發生器領域。

圖1是本實用新型的整體電路結構示意圖，圖2、圖3是具體實施方式
二所 述的直流升壓電路1的電路結構示意圖，圖4是具體實施方式
三中所述的隔離 驅動電路3和橋式斬波電路4的電路結構示意圖，圖5是具體實施方式
四所述 的整體電路結構示意圖，圖6是具體實施方式
五中所述的整體電路結構示意圖， 圖7是具體實施方式
五中所述的可編程晶振電路8的電路結構示意圖，圖8是具體實施方式
七中所述的整體電路結構示意圖，圖9是具體實施方式
七所述的 整體電路結構示意圖，圖10是具體實施方式
七所述的電壓採樣電路9的電路結 構示意圖，圖ll、圖12是現有兩種超聲波電機驅動器的電路結構示意圖。
具體實施方式
具體實施方式
一參見圖1說明本實施方式。本實施方式無變壓器的超聲 波電機驅動器由單片機脈衝信號發生電路2、直流升壓電路1、多路隔離驅動電 路3和多路橋式斬波電路4組成，所述單片機脈衝信號發生電路2的含有相同頻 率、佔空比和相位差的多路脈衝信號輸出端分別與多路隔離驅動電路3的信號輸 入端連接，每路隔離驅動電路3的信號輸出端與每路橋式斬波電路4的控制信號 輸入端連接，每路橋式斬波電路4的兩個電源端並聯在直流升壓電路1的直流驅 動電壓輸出端Vout和電源地之間，每路橋式斬波電路4輸出超聲波電機的一路
脈衝驅動信號。本實施方式採用直流升壓電路1，將外部的低壓直流電壓信號直接提升至超聲波電機驅動信號的峰-峰值的直流驅動電壓信號Vout，然後採用數位訊號控制 對該直流驅動電壓信號Vout進行斬波獲得超聲波電機需要的脈衝驅動信號。直 流升壓電路提升電壓的可調範圍寬，帶載能力強，無需與超聲波電機進行阻抗 匹配，使本實施方式的無變壓器的超聲波電機驅動器的適應性更強。本實施方式採用單片機控制脈衝信號發生，單片機控制靈活，可以產生多 路頻率、佔空比、相位差可調的控制信號，使本實施方式輸出的驅動信號的波 形的頻率、佔空比和相位差控制靈活。
具體實施方式
二參見圖2、圖3說明本實施方式。本實施方式與具體實 施方式一所述的無變壓器的超聲波電機驅動器的區別在於，所述直流升壓電路1由開關電源控制電路ll、功率驅動電路12、濾波電路16、升壓電路13、分壓電 路14和分壓採樣電路15組成，所述開關電源控制電路11的控制信號輸出端與 功率驅動電路12的信號輸入端連接，功率驅動電路12的信號輸出端與升壓電路 13的控制信號輸入端連接，升壓電路13的直流電壓輸出端輸出等於超聲波電機 驅動信號峰-峰值的直流驅動電壓Voiit給橋式斬波電路4的電源輸入端，分壓電 路14的兩個電源端分別與升壓電路13的直流電壓輸出端Vout和電源地連接， 分壓電路14的輸出端輸出直流驅動電壓Vout —半的驅動參考電壓VCOM，分壓 採樣電路15由兩個電阻串聯後並聯在升壓電路13的直流電壓輸出端和電源地之 間，分壓採樣電路15的輸出端與濾波電路16的信號輸入端連接，濾波電路16 的信號輸出端與開關電源控制電路11的電壓反饋信號輸入端連接。本實施方式的開關電源控制電路11採用開關電源專用控制晶片MC34063型晶片作為主控制晶片。本實施方式的功率驅動電路12採用三極體推動橋式電路對開關源輸出的信號進行功率放大。本實施方式的分壓電路14由P型和N型場效應對管構成，所述分壓電路的 上橋臂為N溝道的場效應管Q24，下橋臂為P溝道的場效應管Q29，兩支場效 應管的柵極由穩壓管D19連接，穩壓管D19的陰極與上橋臂的場效應管Q24 的柵極連接，穩壓管D19的陽極與下橋臂的場效應管Q29的柵極連接，穩壓管D19用於解決由場效應管開啟電壓造成的交越失真，輸出端的電位VCOM能通 過電位器R30進行調節，進而保證分壓電路14的輸出端輸出等於升壓電路13 輸出的直流驅動電壓信號Vout的一半，所述驅動參考電壓VCOM是超聲波電 機驅動信號的公共端。本實施方式中的分壓採樣電路15由兩個電阻串聯後並聯直流驅動電壓信號 Vout和電源地信號之間，將直流驅動電壓信號Vout的比例縮小後的電壓信號 VF作為採樣信號提供給濾波電路16。本實施方式的濾波電路16採用由運算放大器組成的電壓跟隨器作為濾波電路。本實施方式中的升壓電路13由一級升壓電路131、二級升壓電路132組成， 功率驅動電路12的信號輸出端同時與一級升壓電路131和二級升壓電路132的 控制信號輸入端連接， 一級升壓電路131的電壓信號輸入端與外界的低壓直流 電源的輸出端連接， 一級升壓電路131的電壓信號輸出端Vol與二級升壓電路 132的電壓信號輸入端連接，二級升壓電路132的輸出端輸出直流驅動電壓 Vout。本實施方式中的一級升壓電路131和二級升壓電路132均是由場效應管和 升壓電感組成，所述升壓電感採用多根漆包線並行繞制，以降低渦流造成的銅 損，磁芯採用罐裝磁芯，使電感向外射的電磁波大幅度降低，或者還採用非晶 態磁環作導磁材料，這樣可減小電感的。本實施方式的升壓電路13升壓範圍大，當一級升壓電路131的輸入電壓信 號Vin在10V 30V之間的時候，二級升壓電路132輸出的直流驅動電壓信號 Vout能夠調整在90V 320V之間，這種方案具有電路結構簡單、升壓範圍寬、 體積小、元件利用率高、驅動功率大、帶載能力強、成本低廉等優點。
具體實施方式
三參見圖4說明本實施方式。本實施方式中的隔離驅動電 路3採用場效應管專用隔離驅動晶片IR2104，橋式斬波電路4是由兩個N型場 效應管構成的電橋，橋式斬波電路4的兩個電源端分別與直流升壓電路1的直流 電壓輸出端和電源地連接，隔離驅動電路3的信號輸入端與單片機脈衝信號發生 電路2的含有相同頻率、佔空比和相位差的脈衝信號輸出端連接，隔離驅動電路 3的信號輸出端和橋式斬波電路4的控制信號輸入端連接。
本實施方式所述的場效應管專用驅動晶片選用IR2104型集成電路。.具體實施方式
四參見圖5說明本實施方式。本實施方式與具體實施方式一至三所述的無變壓器的超聲波電機驅動器的區別在於，它還包括鍵盤7和顯示 器6，所述鍵盤7的輸出端和單片機脈衝信號發生電路2的數據輸入端連接，顯 示器6的數據輸入端與單片機脈衝信號發生電路2的數據輸出端連接。本實施方式增加了鍵盤和顯示器的人機界面設備，可以通過鍵盤和顯示器 修改、設定要輸出的脈衝信號的頻率、佔空比和相位差等參數，使本實施方式 的無變壓器的超聲波電機驅動器能夠根據要求輸出多種參數的驅動信號，適應 性更強。
具體實施方式
五參見圖6說明本實施方式。本實施方式與具體實施方式一至四所述的無變壓器的超聲波電機驅動器的區別在於，它還包括可編程晶振電 路8，所述可編程晶振電路8是輸出頻率可調的晶振電路，可編程晶振電路8的 頻率信號輸出端與單片機脈衝信號發生電路2的頻率信號輸入端連接。參見圖7，本實施方式的可編程晶振電路8由可編程晶振L2和電位器R20 組成，其中所述可編程晶振L2選用LTC1799型晶片，通過調整電位器R20的阻 值變化可以改變可編程晶振電路8輸出信號的頻率，即改變了單片機脈衝信號發 生電路2的工作頻率，進而改變了單片機脈衝信號發生電路2輸出脈衝信號的頻 率。本實施方式可以通過調整電位器R20的阻值，使單片機脈衝信號發生電路2 輸出信號的頻率能夠在在20~100kHz之間進行任意調整。
具體實施方式
六參見圖8說明本實施方式。本實施方式與具體實施方式五所述的無變壓器的超聲波電機驅動器的區別在於，它還包括主控CPU電路5、 鍵盤7和顯示器6，主控CPU電路5和單片機脈衝信號發生電路2通過SPI串行 通訊接口連接，鍵盤7的輸出端與主控CPU電路5的數據輸入端連接，顯示器6 的數據輸入端與主控CPU電路5的數據輸出端連接。本實施方式的主控CPU電路5和單片機脈衝信號發生電路2分別選擇PIC 系列的PIC16C64型和PIC16C62型單片機電路。本實施方式增加了一個主控CPU電路5，即使用雙單片機控制，主控CPU 電路5負責通過鍵盤和顯示器進行設定和顯示驅動信號的參數，然後將設定的 參數通過SPI串行通訊接口傳遞給單片機脈衝信號發生電路2，而單片機脈衝信
號發生電路2根據主控CPU電路5的命令只做脈衝信號發生工作，可靠性更高。 本實施方式採用帶有SPI串行通訊接口的主控CPU電路5和單片機脈衝信 號發生電路2，所述SPI串行通訊接口是帶有時鐘的通訊接口，不受單片機工作 頻率的影響，避免了由於單片機脈衝信號發生電路2使用外部可調晶振而影響 通訊。
具體實施方式
七參見圖9和圖10說明本實施方式。本實施方式與具體實 施方式六所述的無變壓器的超聲波電機驅動器的區別在於，它還包括電壓採樣電 路9，所述電壓採樣電路9的信號輸入端與直流升壓電路1中的濾波電路16的信 號輸出端連接，電壓採樣電路9的信號輸出端與主控CPU電路5的A/D轉換模 擬量輸入端連接。本實施方式的無變壓器的超聲波電機驅動器能夠採集並顯示直流升壓電路 1輸出的直流驅動電壓Vout，可以在超聲波電機的運行過程中，實施監測驅動 信號的峰峰值電壓。
權利要求1、無變壓器的超聲波電機驅動器，其特徵在於它包括單片機脈衝信號發生電路(2)、直流升壓電路(1)、多路隔離驅動電路(3)和多路橋式斬波電路(4)，所述單片機脈衝信號發生電路(2)的含有相同頻率、佔空比和相位差的多路脈衝信號輸出端分別與多路隔離驅動電路(3)的信號輸入端連接，每路隔離驅動電路(3)的信號輸出端與每路橋式斬波電路(4)的控制信號輸入端連接，每路橋式斬波電路(4)的兩個電源端並聯在直流升壓電路(1)的直流驅動電壓輸出端Vout和電源地之間。
2、 根據權利要求1所述的無變壓器的超聲波電機驅動器，其特徵在於所述 直流升壓電路(1)由開關電源控制電路(11)、功率驅動電路(12)、濾波電路(16)、升壓電路(13)、分壓電路(14)和分壓採樣電路(15)組成，所述開 關電源控制電路(11)的控制信號輸出端與功率驅動電路(12)的信號輸入端 連接，功率驅動電路(12)的信號輸出端與升壓電路(13)的控制信號輸入端 連接，升壓電路(13)輸出等於超聲波電機驅動信號峰-峰值的直流驅動電壓Vout 的輸出端分別與橋式斬波電路(4)、分壓電路(14)和分壓採樣電路(15)的 電源輸入端連接，分壓電路(14)的兩個電源端分別與升壓電路(13)的直流 電壓輸出端Vout和電源地連接，分壓採樣電路(15)由兩個電阻串聯後連接在 升壓電路(13)的直流電壓輸出端和電源地之間，分壓採樣電路(15)的輸出 端與濾波電路(16)的信號輸入端連接，濾波電路(16)的信號輸出端與開關 電源控制電路(11)的電壓反饋信號輸入端連接。
3、 根據權利要求1所述的無變壓器的超聲波電機驅動器，其特徵在於所述 隔離驅動電路(3)採用場效應管專用隔離驅動晶片，橋式斬波電路(4)是由 兩個N型場效應管構成的電橋，橋式斬波電路(4)的兩個電源端分別與直流升 壓電路的直流電壓輸出端和電源地連接，隔離驅動電路(3)的信號輸入端與單 片機脈衝信號發生電路(2)的含有相同頻率、佔空比和相位差的脈衝信號輸出 端連接，隔離驅動電路(3)的信號輸出端和橋式斬波電路(4)的控制信號輸 入端連接。
4、 根據權利要求1所述的無變壓器的超聲波電機驅動器，其特徵在於它還 包括鍵盤(7)和顯示器(6)，所述鍵盤(7)的輸出端和單片機脈衝信號發生 電路(2)的數據輸入端連接，顯示器(6)的數據輸入端與單片機脈衝信號發 生電路(2)的數據輸出端連接。
5、 根據權利要求1所述的無變壓器的超聲波電機驅動器，其特徵在於它還 包括可編程晶振電路(8)，所述可編程晶振電路(8)是輸出頻率可調的晶振電 路，可編程晶振電路(8)的頻率信號輸出端與單片機脈衝信號發生電路(2) 的頻率信號輸入端連接。
6、 根據權利要求1或2或3或5所述的無變壓器的超聲波電機驅動器，其 特徵在於它還包括主控CPU電路(5)、鍵盤(7)和顯示器(6)，所述主控CPU 電路(5)和單片機脈衝信號發生電路(2)通過SPI串行通訊接口連接，鍵盤(7)的輸出端與主控CPU電路(5)的數據輸入端連接，顯示器(6)的數據 輸入端與主控CPU電路(5)的數據輸出端連接。
7、 根據權利要求6所述的無變壓器的超聲波電機驅動器，其特徵在於它還 包括電壓採樣電路(9)，所述電壓採樣電路(9)的信號輸入端與濾波電路(16) 的信號輸出端連接，電壓採樣電路(9)的信號輸出端與主控CPU電路(5)的 A/D轉換模擬量輸入端連接。
專利摘要無變壓器的超聲波電機驅動器涉及到超聲電機的驅動器。本實用新型解決了現有超聲波電機驅動器需要變壓器驅動而帶來了體積大、適應性差和成本高的問題。本實用新型包括單片機脈衝信號發生電路、直流升壓電路、多路隔離驅動電路和多路橋式斬波電路，單片機脈衝信號發生電路的多路脈衝信號輸出端分別與多路隔離驅動電路的信號輸入端連接，每路隔離驅動電路的信號輸出端與每路橋式斬波電路的控制信號輸入端連接，每路橋式斬波電路的兩個電源端並聯在直流升壓電路的直流驅動電壓輸出端和電源地之間。本實用新型提供了一種多參數可調的超聲波電機驅動器，能夠應用於超聲波電機的科研院所以及超聲波電機應用領域，也可應用於超聲波發生器領域。
文檔編號H02N2/00GK201041991SQ200720116270
公開日2008年3月26日 申請日期2007年5月25日 優先權日2007年5月25日
發明者曲建俊, 王志峰, 琳 董, 靜 鄧, 峰 郝 申請人:哈爾濱工業大學