超聲波電機精密定位控制器的製作方法

2023-06-20 19:08:26 2

專利名稱：超聲波電機精密定位控制器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及超聲波電機控制裝置，是一種適用於超聲波電機的精密定位控制器。
背景技術：
超聲波電機(Ultrasonic Motor，簡稱USM)是近年來發展起來的一種新型直接摩擦驅動電機，其運行必須要有一個特殊專用的高頻驅動信號發生電路和高壓功率放大器電路，這兩部分簡稱為USM驅動控制器(如圖1所示)。一般地，USM生產廠家均提供相應的USM驅動控制器，但這些驅動控制器對實際應用中控制方面的要求沒有考慮或考慮很少。如大部分驅動器僅對USM運行提供接通和關斷控制，但電機關斷時往往由於慣性原因存在過衝，且過衝量大小與所加負荷大小有關，因此無法通過準確的關斷電機來實現精密定位要求。某些驅動控制器雖具有對電機調速的接口，通過接口可改變驅動控制信號的頻率、相位和幅值，從而實現對電機速度的調節。但USM是一種利用壓電振子使電機彈性體產生諧振來提供驅動扭矩的，一旦工作頻率、相位或幅值改變，電機的輸出扭矩將發生較大的變化。電機速度降低的同時，輸出扭矩也將急劇變小甚至停止運轉，且它們之間的關係具有嚴重的非線性關係，使得精密定位控制策略變得非常複雜，且仍無法達到良好的精密定位控制效果。

發明內容
本實用新型的目的就是提供一種超聲波電機精密定位控制器，對傳統的USM驅動控制器進行簡單改造，即將原先接入高壓功率放大器電路的輸入端的高頻驅動信號發生電器的輸出端信號改接至本實用新型的精密定位控制器電路的輸入端，本精密定位控制器電路的輸出端再接至高壓功率放大器電路的輸入端，如圖2所示。經過這樣的改造後即可利用本控制器的特性非常容易地實現精密定位的要求，定位精度可達0.005度。
本實用新型採用的技術方案如下它包括單片機系統、模擬切換電路、信號變換電路、控制指令接口電路；從高頻驅動信號發生器發送的一路信號分別接模擬切換電路和信號變換電路，從高頻驅動信號發生器發送的另一路信號接模擬切換電路，單片機系統分別與模擬切換電路、信號變換電路、控制指令接口電路連接，外部控制指令接控制接口電路，模擬切換電路的輸出端接高壓功率放大器。
本實用新型的優點在於1)它可以對市場上的幾乎全部的環狀行波型USM和縱扭複合型USM實現精密定位控制，具有適應面寬的特點。特別對僅提供電機運行開關控制的驅動控制器，加入本控制器後，可使定位精度大幅度提高，可達0.005度。達到與所採用的角度傳感器的最小解析度的精度；2)使USM精密定位控制時的控制算法極其簡單，無需知道USM的控制模型和整個系統的傳遞函數，避免了強非線性函數在控制算法中的出現。且仍有定位精度高的特點；3)電路結構簡單緊湊，由於採用了CPU，可使各類控制參數根據實際需要進行相應的調整。


圖1是傳統驅動控制器結構框圖；圖2是使用本實用新型後驅動控制器結構框圖；圖3是本實用新型的電路結構框圖；圖4是本實用新型的電路原理圖。
具體實施方式
如圖3、圖4所示，本實用新型它包括單片機系統1、模擬切換電路2、信號變換電路3、控制指令接口電路4；從高頻驅動信號發生器發送的一路信號分別接模擬切換電路2和信號變換電路3，從高頻驅動信號發生器發送的另一路信號Y接模擬切換電路2，單片機系統1分別與模擬切換電路2、信號變換電路3、控制指令接口電路4連接，外部控制指令接控制接口電路4，模擬切換電路2的輸出端接高壓功率放大器。
所說的單片機系統1為89C2051，模擬切換電路2為4052晶片，信號變換電路3為74LS14晶片，整流二極體和穩壓二極體組成。
其中單片機系統1主要完成功能有(1)通過控制指令接口電路4接受外部指令，(2)通過單片機本身包含的的計數器/定時器對高頻驅動信號發生器產生的波形數進行計數，(3)對模擬電路進行切換控制；模擬切換電路2主要完成對高頻驅動信號發生器發出的波形與地之間的切換控制。也就是說，當模擬切換開關電路的U2的狀態控制口線的A＝0，B＝0時，高頻驅動信號波形X和Y與高壓功率放大電路的輸入端接通，此時電機能夠運行。當模擬切換開關控制線A＝0，B＝1時，信號地線與高壓功率放大電路的輸入端接通，此時電機停止運行；信號變換電路3主要完成對高頻驅動信號波形進行整形和電平轉換，使其適合於單片機計數的TTL電平。控制指令接口4主要功能是使單片機接收外部指令，控制電機的運行和停止，以及預定參數的設置等。
下面說明利用本實用新型的精密定位控制器進行精密定位。在敘述採用本控制器實現USM精密定位控制的過程前，先介紹一下本實用新型中具有發明特徵的超聲波電機的單步(或稱步進式)運行。由於超聲波電機的轉子和定子間是通過摩擦驅動來實現的，當給它一個正弦波(或方波)信號(由功率放大器類型決定)激勵時，此時電機並不能轉過一個恆定的角度(步距角)，甚至可能沒有轉動。然而，如果一次連續發送N個正弦波或方波，則此時超聲波電機將向前轉過一個角度，然後暫停發送信號波形，接著繼續發送N個波形，這樣超聲波電機將一步一步的往前運行。試驗表明，當超聲波電機運行特性穩定且負載恆定時，電機的運行步距角是比較均勻的，在單步運行時，每組信號由N個正弦波(或方波)組成，N大小可根據每步需要轉過的角度來確定，且與電機特性和外部負載相關，每組間的停頓時間則至少大於2個信號波形周期時間。當N取適當小時，超聲波電機的每步轉角將小於0.005度。下面介紹實現精密定位控制策略，為說明方便，將初始位置運行至目標位置轉過的角度Alfa分為兩部分，第一部分為連續運行區域，轉過的角度為Alfa1，第二部分為接近目標的步進式運行區域，轉過的角度為Alfa2，即Alfa＝Alfa1+Alfa2，定義epson為定位精度的角度誤差，設實際轉過的角度為Beta，在連續運行區域中實際轉過的角度為Beta1，它們間具有如下關係|Beta1-Alfa1|＜Alfa2和|Alfa-Beta|≤epson。在滿足上述條件下Alfa2越小越好。結合圖3和圖4，利用本控制器實現精密定位的具體流程如下。
當單片機接收到外部指令P1.1＝1和P1.2＝1時，此時單片機置P1.0＝0，即使模擬切換開關電路的U2的狀態控制口線的B＝0，模擬開關電路U2使高頻驅動信號X和Y與高壓功放電路相通，USM處於連續運行狀態。同時外部控制器通過角度檢測傳感器(如光電編碼器)記錄USM轉過的角度，當達到Alfa1時，外部控制器發出單步運行命令，即使P1.1＝1，P1.2＝0，此時單片機仍置P1.0＝0，同時啟動單片機的計數器T0(P3.4)對高頻驅動信號波形計數，當計數達到N個波形(事先可通過控制指令接口4設定好，或在線修改)時，單片機置P1.0＝1，此時信號地線與高壓功率放大電路的輸入端接通，此時電機停止運行，延時一段時間，此時間長度也可通過控制指令接口4設定好，但必須大於2個信號波形周期長度。接著再置P1.0＝0，啟動單片機的計數器T0對高頻驅動信號波形計數，當計數達到N個波形後，再置P1.0＝1，此時電機停止運行，延時一段時間後，重複上述過程。在USM處於單步運行時，外部控制器也一直通過角度檢測傳感器(如光電編碼器)記錄USM轉過的角度，當滿足|Alfa-Beta|≤epson時，外部控制器發出停止運行命令，即使P1.1＝0，P1.2＝0，此時單片機置P1.0＝1，USM將停止運行。由於採用本控制器實現了USM的單步運行，且每步運行的步距角非常小，因此可以實現非常高的角度定位精度，其精度主要決定於所採用的角度傳感器的解析度和精度。
本實用新型是利用單片機對信號波形計數和對模擬開關的控制實現USM的單步(步進式)運行運動，可以獲得與所採用的角度傳感器的最小解析度的精度，且單步運行的角度大小可通過對N的設定而調節。
權利要求1.一種超聲波電機精密定位控制器，其特徵在於它包括單片機系統(1)、模擬切換電路(2)、信號變換電路(3)、控制指令接口電路(4)；從高頻驅動信號發生器發送的一路信號(X)分別接模擬切換電路(2)和信號變換電路(3)，從高頻驅動信號發生器發送的另一路信號(Y)接模擬切換電路(2)，單片機系統(1)分別與模擬切換電路(2)、信號變換電路(3)、控制指令接口電路(4)連接，外部控制指令接控制接口電路(4)，模擬切換電路(2)的輸出端接高壓功率放大器。
2.根據權利要求1所述的超聲波電機精密定位控制器，其特徵在於所說的單片機系統(1)為89C2051，模擬切換電路(2)為4052晶片，信號變換電路(3)為74LS14晶片，整流二極體和穩壓二極體組成。
專利摘要本實用新型公開了一種超聲波電機精密定位控制器。它包括單片機系統，模擬切換電路，信號變換電路，控制指令接口，將高頻驅動信號接入本控制器的輸入端，其輸出端接高壓功率放大器的輸入端。本實用新型是一種帶CPU，通過外部指令可控制超聲波電機的連續運行、單步(步進式)運行和停止功能的控制器。單步運行功能是通過單片機系統對高頻驅動信號進行計數和控制模擬切換電路實現的，單步運行產生的極高解析度的步距角保證了超聲波電機定位的高精度。定位精度可達0.005度。可以對市場上的幾乎全部環狀行波型USM和縱扭複合型USM實現精密定位控制。
文檔編號H02N2/10GK2588655SQ02293279
公開日2003年11月26日 申請日期2002年12月17日 優先權日2002年12月17日
發明者魏燕定, 郭吉豐, 董春兵 申請人:浙江大學