一种共轴并联式超声波电机驱动控制系统

摘要

本发明公开了一种共轴并联式超声波电机驱动控制系统，包括上位机、通讯模块、控制模块、驱动模块和反馈模块，利用通讯模块实现上位机与基于DSP最小系统的控制模块间的通讯，控制模块接收来自上位机信号，产生PWM波以驱动电机运行并接收反馈信息量，四路推挽逆变电路构成驱动模块，将控制器的控制信号变为可驱动电机运行的功率信号驱动电机转动，光电编码器采集速度、位置信号反馈至控制模块形成闭环。本发明驱动控制系统采用分离驱动控制方式，两路驱动电路分别驱动两个定子，根据每个定子特性单独调节驱动频率，相比较单路驱动电路，两路驱动电路可以更好驱动共轴并联式电机，减少电机磨损，提高效率与耦合性。

说明书

技术领域

本发明涉及超声波电机控制领域，具体的是一种共轴并联式超声波电机驱动控制系统。

背景技术

声波电机作为一种全新的微电机，是多学科融合的产物。与传统电磁电机不同，超声波电机的工作原理为压电效应与超声振动。理论上，超声波电机中的压电陶瓷能量密度极高，是传统电磁电机的10倍，被应用于航空航天、精密机床等领域。

为了提高电机的输出转矩，可以增加电机的直径与轴向压力。但相应的会增大电机体积，随着轴向压力的增加，电机的损耗也会增加，减小电机寿命。共轴并联式双定子双转子电机包括两个同轴定子，在不增加电机直径、保证寿命的情况下，提高输出力矩，保证电机可靠性与稳定性。

定子在制作过程中，很难保证其零件加工的一致性。即在加工过程中，存在两个定子特性不同的可能性。使用传统驱动电源给两个定子施加相同频率的 PWM波，会造成电机内部运行的不稳定性，产生发热、功耗大、性能降低等情况。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种共轴并联式超声波电机驱动控制系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种共轴并联式超声波电机驱动控制系统，包括上位机、通讯模块、控制模块、驱动模块、反馈模块与共轴并联式超声波电机；

上位机发送电机启停、速度大小等命令信息；

通信模块包括RS485通信接口和转换芯片，通过RS485通信接口将上位机命令信息传递至转换芯片，转换芯片输出信号至控制模块；

控制模块基于DSP最小系统，控制模块包括微处理器、HRPWM模块、SCI 模块和eQEP模块，SCI模块接收上位机信号后，微处理器进行处理并输出PWM 信号至驱动模块；

驱动模块包括两个推挽逆变电路，推挽逆变电路驱动共轴并联式超声波电机中的单个定子和单个转子转动；

反馈模块包括编码器，编码器与共轴并联式超声波电机相连，通过编码器反馈信号至控制模块的eQEP模块。

进一步地，共轴并联式超声波电机包含两个定子(1)和两个转子(2)，两个定子(1)分别安装在底座(3)与端盖(4)处，两个转子(2)通过垫片(5) 固定在同一转轴(6)上，定子(9)外侧粘有摩擦材料(7)，定子(1)内测粘有压电陶瓷(8)，转轴(6)两端输出，转轴(6)一端带动负载，转轴(6)另一端与传感器相连。

进一步地，控制模块使用DSP最小系统中的PWM模块输出PWM波，通过改变PWM波的频率改变电机转速；SCI模块用于接收上位机命令信号控制芯片；eQEP模块接收来自编码器的反馈信息至微处理器，微处理器根据反馈信号调整输出波的频率，使得电机稳定运行在某一速度。

进一步地，驱动模块包括四路推挽逆变电路，分别驱动两个定子，根据定子本身不同的驱动特性确定驱动控制频率。

进一步地，共轴并联式超声波电机转轴两端输出，共轴并联式超声波电机一端与增量式编码器相连，可直接输出信号至控制系统的eQEP模块，共轴并联式超声波电机另一端可与绝对式编码器相连，用于测量电机实际位置信息。

进一步地，共轴并联式超声波电机的控制方法具体包括以下步骤：

(1)上位机发送命令，确定电机控制目标至通讯模块，通讯模块转换信号至控制模块中；

(2)控制模块接接收信号，输出相应频率、相位的PWM波至驱动模块；

(3)驱动模块接收信号后，四路推挽逆变电路将PWM波升压逆变至相应定子，定子上压电陶瓷产生振动，驱动转子转动；

(4)电机底部和端盖处伸出轴承，编码器连接至轴承上，测量电机运动信息传递至控制模块接，控制模块接接收信号确定电机当前运行状态，调节驱动两个定子的PWM波，使得电机运行在预设的控制目标上

本发明的有益效果：

本发明的共轴并联式超声波电机与普通超声波电机相比，在不增大电机直径、略增大体积的情况下，从理论与实际上将电机的输出力矩提高一倍；使用四路逆变电路实现电机的两个定子的单独驱动，相比较直接并联驱动，可更好的提高电机效率与耦合性，在一定程度上避免了电机发热；相比较直驱电路，基于DSP的控制系统可以更灵活，方式更为多样。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明共轴并联式超声波电机结构图；

图2本发明共轴并联式超声波点击驱动控制结构图；

图中：

1-定子，2-转子，3-底座，4-端盖，5-垫片，6-转轴，7-摩擦材料，8-压电陶瓷。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，共轴并联式超声波电机包含两个定子1、两个转子2，两个定子1分别安装在底座3与端盖4处，两个转子2通过垫片5固定在同一转轴6 上。定子1外侧粘有摩擦材料7，定子1内测粘有压电陶瓷8。每个定子的特性与共振频率皆会存在一定的差异，若差异大，则并联驱动时会造成电机内部定子振动不同，影响电机输出性能，使得电机产生过热现象。

如图2所示，基于DSP最小系统的共轴并联式驱动控制系统共包括通信模块、控制模块、驱动模块与反馈模块。

通信模块包括RS486通信接口与电平转换芯片，实现DSP最小系统与上位机间的数据通信功能。控制模块基于TMS320F28069的最小系统，使用的模块包括SCI模块、HRPWM模块与eQEP模块。SCI模块接收、传递信号，实现上位机与下位机的通讯；HRPWM输出高分辨率脉冲信号用于驱动电机；eQEP模块接收来自反馈模块的信号，根据电机现运行状态改变DSP最小系统输出的 PWM波，控制电机运行状态。

一个定子需要两路推挽逆变电路进行驱动。驱动模块包括四路推挽逆变电路，分别驱动两个定子，实现定子的分离驱动控制。由于两个定子不同的特性，在确定在同一稳定速度的情况下，其驱动频率可能不同。相比较并联驱动，分离驱动控制实现了不同定子的针对性驱动控制，提高了电机耦合性。

共轴并联式超声波电机驱动控制方法，具体控制方式：

(1)上位机发送命令，确定电机控制目标至通讯模块，通讯模块转换信号至控制模块中；

(2)控制模块接收信号，输出相应频率、相位的PWM波至驱动模块；

(3)驱动模块接收信号后，四路推挽逆变电路将PWM波升压逆变至相应定子，定子上压电陶瓷产生振动，驱动转子转动；

(4)电机底部和端盖处伸出轴承，编码器连接至轴承上，测量电机运动信息传递至控制模块，控制模块接收信号确定电机当前运行状态，调节驱动两个定子的PWM波，使得电机运行在预设的控制目标上。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。