[發明專利]自校正式超聲波電機步進控制系統及方法

有效

• 申請號: 201811540970.5
• 申請日: 2018-12-17
• 公開（公告）號: CN109474202B
• 公開（公告）日: 2019-12-10
• 發明（設計）人: 徐志科;冷靜雯;金龍;劉藝;董曉霄
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H02N2/14
• 分類號: H02N2/14;H02N2/10
• 代理公司: 32204 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)
• 代理人: 吳海燕

本發明公開了一種自校正式超聲波電機步進控制系統及方法，對電機施加一定頻率的單相驅動電壓，通過壓電陶瓷的徑向振動驅動轉子轉動；根據采樣電流是否產生一定波動判斷彈性葉片是否卡入定位槽，若采樣電流產生波動，則表明彈性葉片卡入定位槽，此時將驅動電壓降為零來保證電機完成步進運動；根據需求電機停止運行一定時間；施加驅動電壓，彈性葉片脫離定位槽繼續轉動，電機能夠繼續穩定運行至下個定位槽。本發明控制系統以采樣電阻為反饋元件構成閉環回路，使得該自校正式步進超聲波電機實現穩定的步進運行；相比較開環控制，閉環反饋控制精確，并且控制靈活，通過上位機可以改變步進運行中的時間間隔。

技術領域

本發明屬于超聲波電機的控制技術領域，尤其涉及一種自校正式超聲波電機步進控制系統及方法。

背景技術

超聲波電機作為新型電機，具有低速大轉矩、動作響應快、斷電自鎖、無噪聲、無電磁干擾等優點，廣泛應用于航空航天、精密儀器儀表、機器人關節驅動等領域。超聲波電機結構設計靈活、設計形式多樣，可以根據不同的工作模態和驅動原理，設計出不同形式與功能的超聲波電機。

目前，超聲波電機的步進控制需要接入位置傳感器形成閉環進行位置信息反饋，缺點在于在多步運行的時候將不可避免造成累積誤差，并且復雜的反饋與控制裝置限定了設備小型化的發展。自校正式步進超聲波電機不需要復雜的反饋系統即可實現無累積誤差的步進運行，合理的控制方法能使電機運行穩定，輸出大力矩，獲得能達到電磁電機水平的輸出性能與可靠性。

發明內容

發明目的：針對以上問題，本發明提出一種自校正式超聲波電機步進控制系統及方法，通過反饋電流形成閉環回路，實現超聲波電機無累積誤差步進運行。

技術方案：為實現本發明的目的，本發明所采用的技術方案是：一種自校正式超聲波電機步進控制系統，包括上位機、通訊模塊、控制模塊、驅動模塊、自校正式超聲波電機和反饋模塊；上位機用于發出指令，并通過通訊模塊發送至控制模塊；控制模塊接收指令后，通過驅動模塊調節施加在電機上的電壓；向電機施加驅動電壓，電機轉動，電機電流由反饋模塊采集并反饋至控制模塊；電機彈性葉片卡入定位槽，電機停止轉動，電流產生波動，反饋至控制模塊，將施加在電機上電壓降為零；間隔上位機設定的定位時長后，控制模塊重新向電機施加驅動電壓，彈性葉片沖出定位槽，電機開始穩定運轉至下一個定位槽。

進一步地，所述自校正式超聲波電機為徑向振動的駐波型超聲波電機；電機定子包括壓電陶瓷環、金屬環與彈性葉片，金屬環在壓電陶瓷環外側，彈性葉片均勻焊接在金屬環外；電機轉子為圓筒形，內部沿圓周方向開有若干定位槽，定位槽寬度、深度及形狀相同。

進一步地，所述控制模塊為DSP控制器，使用模塊包括SCI模塊、PWM模塊與模數轉換模塊；SCI模塊為串口通信接口模塊，用以接收上位機信號；PWM模塊通過調節PWM波占空比來調節施加在電機上的電壓；模數轉換模塊接收來自反饋模塊的信號。

進一步地，所述通訊模塊包括RS232接口與電平轉換芯片；RS232接收上位機信號，經過電平轉換芯片發送至控制模塊。

進一步地，所述驅動模塊為推挽型開關驅動電路，將直流信號逆變為交流信號，并將低壓信號升壓為能夠驅動電機的高壓信號。

進一步地，所述反饋模塊為采樣電路，進行電流采樣，得到電壓值反饋至模數轉換模塊。

一種自校正式超聲波電機步進控制方法，包括步驟：

(1)上位機發出指令，通過RS232接口，經過電平轉換芯片給DSP控制器開始信號，設定超聲波電機定位時長；

(2)DSP控制器的SCI模塊接收上位機指令，PWM模塊輸出PWM波，通過推挽開關驅動電路向超聲波電機施加驅動電壓，驅動電機轉動；

(3)當彈性葉片卡入定位槽，電機停止轉動，電流發生波動，采樣電路得到波動信號，反饋至模數轉換模塊；