超声电机驱动控制技术研究

摘要

超声电机作为一种基于压电原理的微型电机，不产生电磁干扰，具有低速大转矩的特性。它这一特殊优势使其成为微型电机的研究热点。行波型旋转超声电机是一类具有代表性的超声电机。由于复杂的多变量、强耦合和时变特性，超声电机建模复杂，其优良特性的发挥有赖于驱动控制系统的性能。本文以实现超声电机的驱动控制为目的，构建了超声电机仿真模型，分析了驱动电路方案与调速控制方法，实现并验证了一种驱动控制电路。
　　本文首先构建了一种适用于驱动控制研究的仿真模型。仿真模型以两相驱动电压和负载转矩为输入量，以电机转速为输出量，综合了超声电机等效电路模型和解析模型的部分特点，为驱动控制方案的研究提供了基础平台。
　　超声电机的驱动电路由信号发生电路、功率放大电路、匹配电路和供电电源四个部分组成。本文分析了不同功率逆变拓扑的特点，论证了三相桥式逆变拓扑用于两相驱动的可行性；分析了不同匹配电路的功能与特点，给出了串联电感匹配、LLCC网络匹配的参数设计方法。
　　本文指出了三相桥式逆变电路驱动超声电机时，调压、调频与调相与PWM控制信号的之间的时序关系，分析了调速方法的具体实现方案；分析了孤极电压反馈信号在调频、调压与调相过程中的变化规律，给出了孤极反馈用于频率跟踪控制的总体方案。
　　本文最后以FPGA为控制核心设计并实现了一种超声电机驱动控制器。驱动控制器采用三相桥式功率逆变拓扑，LLCC网络作为匹配电路，采集孤极电压反馈信号实现频率跟踪。给出了驱动控制器软硬件设计方案，对其进行了实验测试，验证了基本的驱动控制功能。

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第1章 绪论

1.1超声电机及其特点

1.2超声电机的发展与应用

1.3超声电机的研究现状

1.4本文研究内容

第2章 超声电机电路仿真模型构建

2.1引言

2.2超声电机的运行机理

2.3基于PSpice的超声电机建模

2.4超声电机仿真模型的验证

2.5本章小结

第3章 超声电机驱动电路结构研究

3.1引言

3.2高次谐波对驱动性能的影响

3.3逆变拓扑结构的对比与论证

3.4匹配网络结构的对比与论证

3.5本章小结

第4章 超声电机调速控制方法研究

4.1引言

4.2超声电机调速方法的物理意义

4.3基于三相桥逆变的调速方法

4.4超声电机孤极电压及其特性

4.5本章小结

第5章 超声电机驱动控制器的实现

5.1引言

5.2驱动控制器总体结构

5.3驱动电路硬件设计

5.4频率跟踪回路硬件设计

5.5控制程序设计与仿真

5.6驱动控制器的测试

5.7本章小结

结论

参考文献

附录A 基于Verilog的主程序框架

附录B 驱动控制器原理图与PCB图

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