1概述

 

　　超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，把电能转换成弹性体的超声振动，通过摩擦偶合作用获得运动和力（矩）的一款发动机。由于航空航天器往往处在高真空、极端温度、强辐射等恶劣条件中，且对系统重量要求严苛，而使超声马达成为驱动器的最佳选择，所以超声波电动机在航空航天领域得到广泛的应用。本文基于行波型旋转超声波电动机设计了一种直线位移机构，想要实现其步进运动控制。以上功能的实现依托于一款功能强大、高集成度的微处理器，即为PSOC。

 

　　2超声波电动机直线位移机构

 

　　该机构通过滚珠丝杆，将超声波电动机生成的旋转运动转变为顶杆的直线运动。如图1所示，该直线位移机构的组成元件为螺母导向座、平键、滚珠丝杠与顶杆，最后是超声波电动机。将螺母导向座安装在超声波电动机上，超声波电动机输出轴与滚珠丝杠轴由轴销连接，导向座内壁有两个键槽，分别安装了平键，通过平键将丝杠螺母定位在螺母导向座里，由小螺钉将顶杆定在丝杠螺母之上。通过轴销，电动机输出轴驱动丝杠轴而——旋转，且由平键定位，沿着螺母导向座的轴向方向，滚珠丝杠螺母成直线运动，最后，通过滚珠丝杠螺母，顶杆做往复直线运动。

 

　　3控制系统工作原理

 

　　如图2所示是早期的超声波电动机控制系统原理框图。图3所示是以PSOC为核心构件的超声波电动机驱动电路框图。PWM-DB16是l6位带死区的脉宽调制模块，模块的PWM输出频率的周期由PWM-DB16模块的Peirod寄存器来决定；PWM输出频率的脉宽由PulseWidth寄存器决定；P1与P2两个反相信号前/后沿之间的死区时间由DeadTime寄存器决定。PWM模块输出是CPU所带的外部接口电路。由PWM—DB16模块产生相位四路方波信号，经推挽逆变电路转化成一路正弦信号，相应的PWM2发出两路信号转换成一路余弦信号，最后，两路相位差为π/2的同频、等幅交变电压加在超声波电动机的两组压电陶瓷元件上驱动其转子转动。图3中ADCINC12是增量型模数转换器。

 

　　4系统各部分构成

 

　　4.1PWM速度控制原理

 

　　通过单片机输出的控制波型是占空比不同的矩形波，用其来控制的主电路的输出也是一个矩形波。对电机来说，当有电流流过电机绕组线圈时，就会产生一个转矩，使电机的转子转动起来，没有电流时就没有转矩产生。但是，由于电机转子本身有惯性，所以电机转起来后，在后续的一段时间内就算没有电流，电机还是会转动。而实际上单片机输出的矩形波的频率也较高，这样电机就可以持续不断的转动。我们通过控制输出波形的占空比，使电机在一定的时间内电流流过的时间不一样。在宏观上来看，就是电机的转速不一样。这样通过调节矩形波的占空比，就可实现电机的速度调节。此处选用两个PWM模块，通过相应配置，可实现4路PWM波形输出，如图四所示。

 

　　4.2PWM信号频率确定

 

　　调速由PWM信号频率大小决定，电机的额定转速（）和转子磁极数（2p）影响PWM信号频率大小。当驱动每相电枢绕组时间内逆变桥有足够多的PWM脉冲个数时，调速才能有效。如此，PWM信号频率应远远在6p的值之上。比如：p=1，=500r/min，那么PWM信号频率应远远在300Hz的值之上。此外，由于电机辐射的音频磁场会伤害到人体健康，所以一般选择大于10kHz的信号频率才行。

 

　　4.3超声波电动机的脉冲响应特性

 

　　脉冲响应特性即激励脉冲和电机位移量的对应关系。由于传统电磁步进电动机的结构和驱动信号特点，使得电机在一个脉冲信号内只能走一个恒定的步距角。而以压电陶瓷的逆压电效应和定子的超声振动为基本原理的直线型超声波电动机，借助于定、转子之间的摩擦作用，实现定子机械振动转变为转子单方向的直线运动或旋转运动。由图5可知，当电机外界条件一定时，电机移动的位移和给定的脉冲数成正比，是种线性关系，但超声波电动机的非线性、导轨的平行度、摩擦介面均匀度等因素影响，该曲线不完全是种线性关系。但是和传统电磁步进电机一样，超声波电动机每一步移动的位移即为步距。

 

　　在频率119.2kHz、电压峰峰值200V，两相驱动电压相位差90度的条件下，测得图五所示的曲线。超声波电机通过施加不同脉冲数的驱动信号，得到电机位移与驱动脉冲个数的数学关系，如图四所示。由PC机即上位机的RS-232接口与下位机相连，当下位机收到启动信号指令和脉冲个数后进行超声波电动机的控制（单步驱动脉冲数的控制）和位移检测。经过多次反复实验得到如图五所示的超声波电机的脉冲响应特性曲线。

 

　　由图五可知，当脉冲数小于6时，电机的位移基本不变，是个常数，而当大于6时则随着脉冲数的增加，电机的位移也随着逐渐的增大。