超声波马达精密定位装置 技术领域
本发明涉及超声波电机控制装置，是一种适用于超声波马达精密定位装置。
背景技术
超声波电机(Ultrasonic Motor，简称USM)是近年来发展起来的一种新型直接摩擦驱动电机，其运行必须要有一个特殊专用的高频驱动信号发生电路和高压功率放大器电路，这两部分简称为USM驱动控制器(如图1所示)。一般地，USM生产厂家均提供相应的USM驱动控制器，但这些驱动控制器对实际应用中控制方面的要求没有考虑或考虑很少。如大部分驱动器仅对USM运行提供接通和关断控制，但电机关断时往往由于惯性原因存在过冲，且过冲量大小与所加负荷大小有关，因此无法通过准确的关断电机来实现精密定位要求。某些驱动控制器虽具有对电机调速的接口，通过接口可改变驱动控制信号的频率、相位和幅值，从而实现对电机速度的调节。但USM是一种利用压电振子使电机弹性体产生谐振来提供驱动扭矩的，一旦工作频率、相位或幅值改变，电机的输出扭矩将发生较大的变化。电机速度降低的同时，输出扭矩也将急剧变小甚至停止运转，且它们之间的关系具有严重的非线性关系，使得精密定位控制策略变得非常复杂，且仍无法达到良好的精密定位控制效果。
发明内容
本发明的目的就是提供一种超声波马达精密定位装置，对传统地USM驱动控制器进行简单改造，即将原先接入高压功率放大器电路的输入端的高频驱动信号发生电器的输出端信号改接至本发明的精密定位控制器电路的输入端，本精密定位控制器电路的输出端再接至高压功率放大器电路的输入端，如图2所示。经过这样的改造后即可利用本控制器的特性非常容易地实现精密定位的要求，定位精度可达0.005度。
本发明采用的技术方案如下：
它包括单片机系统、模拟切换电路、信号变换电路、控制指令接口电路；从高频驱动信号发生器发送的一路信号分别接模拟切换电路和信号变换电路，从高频驱动信号发生器发送的另一路信号接模拟切换电路，单片机系统分别与模拟切换电路、信号变换电路、控制指令接口电路连接，外部控制指令接控制接口电路，模拟切换电路的输出端接高压功率放大器。
本发明的优点在于：
1)它可以对市场上的几乎全部的环状行波型USM和纵扭复合型USM实现精密定位控制，具有适应面宽的特点。特别对仅提供电机运行开关控制的驱动控制器，加入本控制器后，可使定位精度大幅度提高，可达0.005度。达到与所采用的角度传感器的最小分辨率的精度；
2)使USM精密定位控制时的控制算法极其简单，无需知道USM的控制模型和整个系统的传递函数，避免了强非线性函数在控制算法中的出现。且仍有定位精度高的特点；
3)电路结构简单紧凑，由于采用了CPU，可使各类控制参数根据实际需要进行相应的调整。
附图说明
图1是传统驱动控制器结构框图；
图2是使用本发明后驱动控制器结构框图；
图3是本发明的电路结构框图；
图4是本发明的电路原理图。
具体实施方式
如图3、图4所示，本发明它包括单片机系统1、模拟切换电路2、信号变换电路3、控制指令接口电路4；从高频驱动信号发生器发送的一路信号分别接模拟切换电路2和信号变换电路3，从高频驱动信号发生器发送的另一路信号Y接模拟切换电路2，单片机系统1分别与模拟切换电路2、信号变换电路3、控制指令接口电路4连接，外部控制指令接控制接口电路4，模拟切换电路2的输出端接高压功率放大器。
所说的单片机系统1为89C2051，模拟切换电路2为4052芯片，信号变换电路3为74LS14芯片，整流二极管和稳压二极管组成。
其中单片机系统1主要完成功能有：(1)通过控制指令接口电路4接受外部指令，(2)通过单片机本身包含的的计数器/定时器对高频驱动信号发生器产生的波形数进行计数，(3)对模拟电路进行切换控制；模拟切换电路2主要完成对高频驱动信号发生器发出的波形与地之间的切换控制。也就是说，当模拟切换开关电路的U2的状态控制口线的A＝0，B＝0时，高频驱动信号波形X和Y与高压功率放大电路的输入端接通，此时电机能够运行。当模拟切换开关控制线A＝0，B＝1时，信号地线与高压功率放大电路的输入端接通，此时电机停止运行；信号变换电路3主要完成对高频驱动信号波形进行整形和电平转换，使其适合于单片机计数的TTL电平。控制指令接口4主要功能是使单片机接收外部指令，控制电机的运行和停止，以及预定参数的设置等。
下面说明利用本发明的精密定位控制器进行精密定位。在叙述采用本控制器实现USM精密定位控制的过程前，先介绍一下本发明中具有发明特征的超声波电机的单步(或称步进式)运行。由于超声波电机的转子和定子间是通过摩擦驱动来实现的，当给它一个正弦波(或方波)信号(由功率放大器类型决定)激励时，此时电机并不能转过一个恒定的角度(步距角)，甚至可能没有转动。然而，如果一次连续发送N个正弦波或方波，则此时超声波电机将向前转过一个角度，然后暂停发送信号波形，接着继续发送N个波形，这样超声波电机将一步一步的往前运行。试验表明，当超声波电机运行特性稳定且负载恒定时，电机的运行步距角是比较均匀的，在单步运行时，每组信号由N个正弦波(或方波)组成，N大小可根据每步需要转过的角度来确定，且与电机特性和外部负载相关，每组间的停顿时间则至少大于2个信号波形周期时间。当N取适当小时，超声波电机的每步转角将小于0.005度。下面介绍实现精密定位控制策略，为说明方便，将初始位置运行至目标位置转过的角度Alfa分为两部分，第一部分为连续运行区域，转过的角度为Alfa1，第二部分为接近目标的步进式运行区域，转过的角度为Alfa2，即Alfa＝Alfa1+Alfa2，定义epson为定位精度的角度误差，设实际转过的角度为Beta，在连续运行区域中实际转过的角度为Beta1，它们间具有如下关系：|Beta1-Alfa1|＜Alfa2和|Alfa-Beta|≤epson。在满足上述条件下Alfa2越小越好。结合图3和图4，利用本控制器实现精密定位的具体流程如下。
当单片机接收到外部指令：P1.1＝1和P1.2＝1时，此时单片机置P1.0＝0，即使模拟切换开关电路的U2的状态控制口线的B＝0，模拟开关电路U2使高频驱动信号X和Y与高压功放电路相通，USM处于连续运行状态。同时外部控制器通过角度检测传感器(如光电编码器)记录USM转过的角度，当达到Alfa1时，外部控制器发出单步运行命令，即使P1.1＝1，P1.2＝0，此时单片机仍置P1.0＝0，同时启动单片机的计数器T0(P3.4)对高频驱动信号波形计数，当计数达到N个波形(事先可通过控制指令接口4设定好，或在线修改)时，单片机置P1.0＝1，此时信号地线与高压功率放大电路的输入端接通，此时电机停止运行，延时一段时间，此时间长度也可通过控制指令接口4设定好，但必须大于2个信号波形周期长度。接着再置P1.0＝0，启动单片机的计数器T0对高频驱动信号波形计数，当计数达到N个波形后，再置P1.0＝1，此时电机停止运行，延时一段时间后，重复上述过程。在USM处于单步运行时，外部控制器也一直通过角度检测传感器(如光电编码器)记录USM转过的角度，当满足|Alfa-Beta|≤epson时，外部控制器发出停止运行命令，即使P1.1＝0，P1.2＝0，此时单片机置P1.0＝1，USM将停止运行。由于采用本控制器实现了USM的单步运行，且每步运行的步距角非常小，因此可以实现非常高的角度定位精度，其精度主要决定于所采用的角度传感器的分辨率和精度。
本发明是利用单片机对信号波形计数和对模拟开关的控制实现USM的单步(步进式)运行运动，可以获得与所采用的角度传感器的最小分辨率的精度，且单步运行的角度大小可通过对N的设定而调节。