超声波电动机驱动控制器 本发明是一种适用于超声波电动机的驱动控制器，属于超声波电动机控制装置制造的技术领域。
超声波电动机(简称USM)是近年来发展起来的一种新型直接驱动电机，其运行时需要一个特殊的专用高频驱动控制器。同时，其本身的技术发展和应用也对驱动控制器提出了更高的要求。
就USM的驱动而言，随着USM的出现，就出现了USM驱动控制器，这包括一些USM生产厂家所生产的USM的附带控制器。这些是控制装置一般都有一个缺点，即由于是厂家专为自己产品定制其指标参数固定，而对实际应用中控制方面的要求没有考虑或考虑的很少，导致了在实际应用中，对于不同厂家的电机要选用不同的控制器，而且由于其控制策略的限制程度，无法根据实际应用的场合而达到良好的控制效果。如目前市场上的所有USM驱动控制器几乎都只提供了变频驱动控制策略，从而使其频率变动范围很窄。对于USM控制技术中相位差控制和脉宽调制控制这两个在实际控制中应用很广地技术却不提供支持，使得无法对USM实现频相复合及以上三者复合控制，也就无法实现USM的快速精密定位和速度控制。
本发明的目的就是提供一种适合超声波电动机应用中驱动控制普遍需求的，将变频、调相、脉宽调制功能结合在一起可以非常容易的实现目前超声波电动机的各种控制要求的超声波电动机驱动控制器。
本发明的超声电动机驱动控制器主要由可调频率产生电路、驱动信号产生及控制电路、控制指令接口、功放电路、直流电源、变频及频率自动跟踪电路所组成。其中可调频率产生电路主要由集成电路“UB10”组成，驱动信号产生及控制电路主要由集成电路UB1～UB8组成，控制指令接口由接口UA1、UA2、UA3组成，功放电路主要由晶体管T1～T4及变压器B1、B2所组成，变频及频率自动跟踪电路主要由放大器UB11组成，驱动信号产生及控制电路的输入端与可调频率产生电路、控制指令接口的信号输出端相接，驱动信号产生及控制电路的输出端接功放电路的输入端，功放电路的输出端接超声波电动机的输入端，变频及频率自动跟踪电路的输入端与超声波电动机的信号输出端相接，变频及频率自动跟踪电路的输出端接可调频率产生电路的输入端。
在驱动信号产生及控制电路中，由主计数器UB5、UB6和从计数器UB1、UB2组成一组控制单元，对应的由主计数器UB7、UB8和以计数器UB3、UB4组成另一组脉宽调制单元，其中UB1～UB8的脚“1”端相接在一起，脚“2”端也相接在一起，UB2的“Q3”端作为信号输出端与UB9-1、UB9-2相接，UB6的“Q3”端作为信号输出端与UB9-3、UB9-4相接。
可调频率产生电路的脚“14”与驱动信号产生及控制电路的脚“2”相接。
首先，可调频率产生电路(压控振荡器)在控制电压作用下产生可调的高频方波信号，高频方波信号通过驱动信号产生及控制电路，变成相位、占空比可调的两相驱动信号。然后，两相驱动信号送至功放电路，驱动各桥臂上的MOSFET开通和关断，实现了直流电源的逆变过程，产生的可控的两相高频交流通过脉冲电源输出变压器直接驱动USM。其间，USM上反馈过来的信号经过变频及频率自动跟踪电路的处理，变换成压控振荡器的控制电压，反过来控制整个电路的频率的产生。以上简单阐述了整个驱动控制器的信号流程。本发明的驱动控制器是依靠控制指令接口实现对USM的控制的，控制指令接口部分给出了本驱动控制器的接口，通过A07～A00八位二进制数改变输出两相信号间的相位差，通过B07～B00八位二进制数改变每相信号的脉冲宽度，通过CW/CCW开关信号改变输出两相间的相差关系，通过Vspeed模拟改变电源的输出频率，从而分别实现对USM的调相控制，脉宽调制，正反转控制和变频控制。
本装置中具有发明特征的部分还在于驱动信号产生及控制电路，它通过对74LS169这个元件的特殊接法，实现了将正反转控制、相位差控制和脉宽调控制控制三者集成在一个电路中，即在一个电路中实现了相位差可调、占空比可调、和相位的翻转功能。
具体的特殊接法为UB5和UB6做为主计数器，提供基准相位；UB1和UB2做为从计数器，从给定的相位(计数值)开始计数。所以当正反转控制端为高电平时，Fo’输出将比Fo输出超前。通过调节给定的相位值(A07～A00八位二进制数)，可以方便的改变Fo’和Fo之间的相位差，从而改变输出A相和B相之间的相位差。移相范围为0～360度，Fo’超前Fo的相移值θ＝360*M/256度(M为八位二进制数A07～A00给定的值)。为了实现脉宽调制(即占空比调节)，本发明创造性的将电路进行扩展，引入了图中右部4块159(UB3，UB4，UB7，UB8)。基于同样的原理，Fa超前于Fo’，超前相位只β＝360*N/256(N为八位二进制数B07～B00给定的值)，前后两部分输出Fo’和Fo通过逻辑门电路作一定的逻辑运算，这里进行了逻辑与逻辑或非运算，就可以得到可调脉宽的信号输出，输出脉冲的脉宽可表示为180-N个时钟周期，其中N为由B07～B00八位二进制数给定的值。对于Fb和Fo也有同样的关系。最后得到了四个驱动信号，A+、A-、B+、B-，其中，A+和A-为功放电路中A相输出的两个MOS-FET的驱动信号，B+和B-为功放电路中B相输出的两个MOSFET的驱动信号，它们的脉冲宽度都是180-N个时钟脉冲，B+与A+之间，B-与A-之间的相位差为θ。通过控制计数器的加减控制端，可以实现输出Fo’对输出Fo相位的超前和滞后，从而通过对功放电路驱动信号A+、A-、B+、B-的相位的超前和滞后(相差+θ和-θ)，实现A相对B相的超前和滞后(相差+θ和-θ)，从而方便地实现电机的正反转控制。
本发明的优点在于：
本发明中的装置可以驱动目前市场上的几乎全部的环状行波型USM。它具有适应面宽，调整方便，首次将USM控制中应用效果颇佳的相位差控制引入驱动控制装置中，并在其中加入了脉宽调制技术，使得在实际应用时可以根据实际需要，灵活的选择对USM的控制方法和控制策略，充分发挥USM的卓越特性，实现要求的性能指标。与目前USM厂家为USM所附带的驱动控制器相比，本发明的驱动装置具有如下优点：
①拥有有效的控制手段，这包括对USM的变频、改变相位差、脉宽调制(实
现调幅控制)和正反转控制，从而有效的控制USM运行过程中的速度和
转矩。在实际应用过程中可选择适宜的控制方案。而目前的USM附带控
制器仅具有变频和正反转控制。
②结构简单紧凑，选用通用的LSI和MSI集成电路，在电路结构形式上可
根据需要进行灵活的搭配和变更。目前厂家附带的USM驱动控制器一
般采用专用集成IC，无法根据实际需要进行相应的调整。
③性能指标范围宽，能够适应几乎目前市场上所有的环形波型USM，驱动
范围宽，可调节控制的幅度大。而目前厂家所附带的USM驱动电源只针
对其自己的USM产品，驱动参数无法调整。
图1是本发明的电路结构框图。其中包括可调频率产生电路1、驱动信号产生及控制电路2、控制指令接口3、功放电路4、直流电源5、变频及频率自动跟踪电路6、超声波电动机7。
图2是本发明的电路原理图。
本发明的实施方案如下：
可调频率产生电路1主要包括集成电路UB10，该集成电路的型号为“74LS625”，其“11”脚与变频及频率自动跟踪电路相接，“14”脚与驱动信号产生及控制电路中的UB1的“2”脚相接。驱动信号产生及控制电路2主要包括集成电路UB1～UB8，其型号为“74LS169”，其中UB1～UB8的“2”脚接在一起，“9”脚接在一起，UB2的“11”脚接UB9-1、UB9-2的输入端，UB4的“11”脚接UB9-1、UB9-2的另一输入端，UB9-1、UB9-2的信号输出端分别输出“A+”和“A-”信号。对应的UB6的“11”脚接UB9-3、UB9-4的输入端，UB8的“11”脚接UB9-3、UB9-4的另一输入端，UB9-3和UB9-4分别输出“B-”和“B+”信号。功放电路4主要包括晶体管T1、T2、T3、T4及变压器B1、B2，其中晶体管T1-T4的4个输入端分别接驱动信号产生及控制电路2的输出端即A+、A-、B+、B-，功放电路4的输出端接超声波电动机7。变频及频率自动跟踪电路6主要由UB11及外围电路所组成，UB11为运算放大器，直流电源5为稳压稳流性能较好的直流电流。根据以上所述，便可实现本发明。