CN101060292B - 基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块 - Google Patents

Abstract

基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块，它涉及到超声电机驱动器。为了解决现有超声波电机驱动器采用变压器作为驱动部件带来的输出驱动信号峰-峰值可调范围小、需要与超声波电机进行阻抗匹配和体积大等问题，本发明提供了一种基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块，它包括直流升压电路、多路隔离驱动电路、多路桥式斩波电路和数字信号输入连接器，多路隔离驱动电路的信号输入端和数字信号输入连接器连接，每路隔离驱动电路的信号输出端与每路桥式斩波电路的信号输入端连接，每路桥式斩波电路的两个电源端分别与直流升压电路的输出端和电源地连接。本发明没有变压器，体积小，可广泛应用到超声波电机的研究和应用领域以及超声波发生器领域。

Description

基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块

技术领域

本发明涉及到超声电机的驱动器。

背景技术

超声波电机是近二十年来出现的一种全新概念的驱动装置，和传统的电磁电机相比，具有惯性小、不受磁场影响、运转宁静、低速大扭矩、可直接带动负载、断电自锁、运动形式灵活多样等特点。随着机械微电子的快速发展对微型电机的需求越来越多，经常需要小于1cm³的微马达，由于超声波电机的尺寸不受限制，在小型电机领域内更有发展前景，这使得研制小尺寸超声波电机驱动电源成为一种必然。

目前现有的超声波电机驱动器，一般都是将高频、低压的信号通过变压器放大后产生高压、高频的超声波电机所需要的驱动信号，这种驱动方式不能大范围控制或调节输出驱动波形的峰值电压；而且所驱动的超声波电机必须和驱动模块的阻抗匹配，否则波形有较大的变异；另外变压器的漏磁现象会导致输出波形有尖峰冲击电压存在，这种尖峰冲击电压容易导致电机中的压电陶瓷击穿。变压器的体积一般都比较大，这也导致了超声波电机驱动器的体积不能太小，不易小型化。

发明内容

为了解决现有超声波电机驱动器采用变压器作为驱动部件带来的输出驱动信号峰-峰值可调范围小、需要与超声波电机阻抗匹配和体积大等问题，本发明提供了一种基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块。

基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块，它包括直流升压电路、多路隔离驱动电路、多路桥式斩波电路和数字信号输入连接器，每路隔离驱动电路的信号输入端分别与数字信号输入连接器的输出端连接，每路隔离驱动电路的信号输出端与每路桥式斩波电路的信号输入端连接，每路桥式斩波电路的两个电源端分别与直流升压电路的输出端和电源地连接。

所述直流升压电路由开关电源控制电路、功率驱动电路、滤波电路、升压电路、分压电路和分压采样电路组成，所述开关电源控制电路的控制信号输出端与功率驱动电路的信号输入端连接，功率驱动电路的信号输出端与升压电路的控制信号输入端连接，升压电路输出等于超声波电机驱动信号峰-峰值的直流驱动电压Vout的输出端分别与桥式斩波电路、分压电路和分压采样电路的电源输入端连接，分压电路的输出直流驱动电压信号Vout一半的驱动参考电压VCOM的输出端作为超声波电机驱动信号的公共端，分压采样电路由两个电阻串联后并联在升压电路的直流电压输出端和电源地之间，分压采样电路的输出端与滤波电路的信号输入端连接，滤波电路的信号输出端与开关电源控制电路的电压反馈信号输入端连接。

本发明的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块的优点有：(一)、输出驱动信号的峰-峰值电压可调范围宽，带载能力强，不需要与超声波电机进行阻抗匹配，适应性强；(二)、每路驱动信号产生电路都是独立的，能够根据实际需要的驱动信号的路数进行硬件灵活匹配，易于形成系列化产品，方便维护与维修；(三)、对外采用数字接口，控制灵活方便；(四)、电路结构模块化、体积小、成本低，方便批量生产。本发明的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块适用于科研院所、大专院校等超声波电机的研究机构，也可应用到超声波电机应用的领域及超声波发生器领域。

说明书附图：

图1是本发明的整体结构示意图，图2、图3是具体实施方式二中所述的直流升压电路1的结构示意图，图4是具体实施方式二中所述的隔离驱动电路3和桥式斩波电路4的结构示意图，图5是具体实施方式二所述的本发明应用的结构示意图，图6是具体实施方式三所述整体结构示意图，图7是具体实施方式三所述的欠压保护电路的结构示意图，图8是具体实施方式四所述的输出短路保护电路的结构示意图，图9是具体实施方式五所述的过热保护电路的结构示意图，图10是具体实施方式六所述的保护电路的结构示意图，图11是具体实施方式七所述的输出电压采样电路9的结构示意图。

具体实施方式：

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式。本实施方式的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块，它由直流升压电路1、多路隔离驱动电路3、多路桥式斩波电路4和数字信号输入连接器5组成，每路隔离驱动电路3的信号输入端分别与数字信号输入连接器5的输出端连接，每路隔离驱动电路3的信号输出端与每路桥式斩波电路4的信号输入端连接，每路桥式斩波电路4的两个电源端分别与直流升压电路1的输出端和电源地连接。

本实施方式采用数字信号控制对直流升压电路1输出的等于超声波电机驱动信号峰-峰值的直流驱动电压Vout进行斩波，得到超声波电机驱动需要的脉冲信号。本实施方式的斩波采用数字信号接口进行控制，能够与现有的数字信号发生电路连接使用，例如单片机数字信号发生电路、DSP数字信号发生电路、锁相环数字信号发生电路等，使用方便，尤其适用于科研院所、大专院校等超声波电机的研究机构，也可应用到超声波电机应用的领域及超声波发生器领域。

本实施方式的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块，每一组隔离驱动电路3和桥式斩波电路4都是独立的，可以单独控制，一方面能够根据实际情况，灵活设置隔离驱动电路3和桥式斩波电路4的路数，通用性强，容易形成系列化产品；另一方面还能够使用一套本实施方式的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块来同时驱动两台或者多台超声波电机。

本实施方式的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块输出的驱动信号是方波驱动信号，经实验证实，超声波电机采用方波驱动信号比正弦波驱动信号获得的空载转速和堵转力矩更大。

具体实施方式二：参见图2至图4说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一所述的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块的区别在于，所述直流升压电路1由开关电源控制电路11、功率驱动电路12、滤波电路16、升压电路13、分压电路14和分压采样电路15组成，所述开关电源控制电路11的控制信号输出端与功率驱动电路12的信号输入端连接，功率驱动电路12的信号输出端与升压电路13的控制信号输入端连接，升压电路13输出等于超声波电机驱动信号峰-峰值的直流驱动电压Vout的输出端分别与桥式斩波电路4、分压电路14和分压采样电路15的电源输入端连接，分压电路14的输出直流驱动电压信号Vout一半的驱动参考电压VCOM的输出端作为超声波电机驱动信号的公共端，分压采样电路15由两个电阻串联后并联在升压电路13的直流电压输出端和电源地之间，分压采样电路15的输出端与滤波电路16的信号输入端连接，滤波电路16的信号输出端与开关电源控制电路11的电压反馈信号输入端连接。

本实施方式的开关电源控制电路11采用开关电源专用控制芯片MC34063型芯片作为主控制芯片。

本实施方式的功率驱动电路12采用三极管推动桥式电路对开关源输出的信号进行功率放大。

本实施方式的滤波电路16采用由运算放大器组成的电压跟随器作为滤波电路。

参见图3，所述分压电路14由P型和N型场效应对管构成，所述分压电路的上桥臂为N沟道的场效应管Q24，下桥臂为P沟道的场效应管Q29，两支场效应管的栅极由稳压管D19连接，稳压管D19的阴极与上桥臂的场效应管Q24的栅极连接，稳压管D19的阳极与下桥臂的场效应管Q29的栅极连接，上桥臂的N沟道的场效应管Q24的栅极串连电位器R30和第三十三电阻R33后与与升压电路13的输出端连接，下桥臂的P沟道的场效应管Q29的栅极通过第三十一电阻R31和电源地连接，上桥臂的N沟道的场效应管Q24的漏极与下桥臂的P沟道的场效应管Q29的源极连接输出等于升压电路13输出的直流驱动电压信号Vout的一半的参考电压VCOM作为超声波电机驱动信号的公共端。

本实施方式中的分压采样电路15由两个电阻串联后并联直流驱动电压信号Vout和电源地信号之间，将直流驱动电压信号Vout的比例缩小后的电压信号VF作为采样信号提供给滤波电路16。

参见图3，所述升压电路13由一级升压电路131、二级升压电路132组成，功率驱动电路12的信号输出端同时与一级升压电路131和二级升压电路132的控制信号输入端连接，一级升压电路131的电压信号输入端与外界的低压直流电源的输出端连接，一级升压电路131的电压信号输出端Vol与二级升压电路132的电压信号输入端连接，二级升压电路132输出等于超声波电机驱动信号峰-峰值的直流驱动电压Vout的输出端分别与桥式斩波电路4、分压电路14和分压采样电路15的电源输入端连接。

本实施方式中的一级升压电路131和二级升压电路132均是由场效应管和升压电感组成，所述升压电感采用多根漆包线并行绕制，以降低涡流造成的铜损，磁芯采用罐装磁芯，使电感向外射的电磁波大幅度降低，或者还采用非晶态磁环作导磁材料，这样可减小电感的体积。

本实施方式采用了由一片开关电源控制集成电路同时控制两级升压电路的升压方式来获得高压信号，升压范围大，当一级升压电路131的输入电压信号Vin在10V～30V之间的时候，二级升压电路132输出的直流驱动电压信号Vout能够调整在90V～320V之间，这种方案具有电路结构简单、升压范围宽、体积小、元件利用率高、驱动功率大、带载能力强、成本低廉等优点。

参见图4，所述隔离驱动电路3采用场效应管专用驱动芯片，桥式斩波电路4是由两个N型场效应管构成的电桥，隔离驱动电路3的输入信号端和使能控制端分别与数字信号输入连接器5的一个输出端连接，所述使能控制端控制隔离驱动电路3是否处于工作状态，所述信号输入端输入超声波电机驱动需要的数字脉冲信号，隔离驱动电路3驱动桥式斩波电路4输出高频、高压的驱动信号，这种技术方案的优点是电路结构简单，运行可靠，效率高。

本实施方式所述的场效应管专用驱动芯片选用IR2104型集成电路。

本实施方式中每路隔离驱动电路3有两个信号输入端，在应用的时候，当有n路隔离驱动电路3和桥式斩波电路4的时候，需要外部输入2n个数字信号，每两个数字信号为一组，分别与一路隔离驱动电路3的使能控制输入端和脉冲信号输入端连接，每一路隔离驱动电路3的启动和停止能够单独控制，根据实际需要，将隔离驱动电路3和桥式斩波电路4进行灵活分配、控制，可以与需要两路驱动信号、四路驱动信号等多种超声波电机配合使用，还可以将n路隔离驱动电路分成m组，控制m个超声波电机。

参见图5，是本实施方式所述的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块的一个应用实例，它能够驱动两个需要两组驱动信号的超声波电机，它包括两组隔离驱动电路3和两组桥式斩波电路4，两组隔离驱动电路3的使能控制端并联在一起通过数字信号连接器5与外部数字信号连接，两组隔离驱动电路3的信号输入端分别与外界的两个数字脉冲信号连接，然后两组桥式斩波电路4的两个信号输出端V1、V2和直流升压电源1的驱动参考电压信号VCOM输出端与被驱动的超声波电机连接。当需要启动超声波电机的时候，将与隔离驱动电路3的使能控制端连接的数字信号置为高电平，隔离驱动电路3开始工作，根据输入的数字脉冲信号驱动桥式斩波电路4开始斩波，当与隔离驱动电路3的使能控制端连接的数字信号置为低电平的时候，隔离驱动电路3停止工作，超声波电机停止工作。

具体实施方式三：参见图6、图7说明本实施方式。本实施方式在具体实施方式一或二所述的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块的基础之上，增加了保护电路8，所述保护电路8在启动保护时输出高电位信号，保护电路8的信号输出端与直流升压电路1中的开关电源控制电路11的电压信号反馈输入端CMPR连接。

本实施方式中的保护电路8是欠压保护电路，所述保护电路8的输入信号为电路的工作电源，当保护电路8的输入信号低于设定值的时候，输出高电位信号。

参见图7，本实施方式的保护电路8是欠压路保护电路，它是由运放U2A组成的比较电路，所述比较电路的正向输入端输入的是高电位信号，本实施方式中采用电阻R3和R1对运放电源V12进行分压得到所述高电位信号输入到运放U2A的正向输入端，比较电路的反向输入端分别与稳压管D5的阳极和电阻R2的一端连接，稳压管D5的阴极和运放工作电源V12连接，电阻R2的另一端和电源地连接，运放U2A的输出端通过R4与开关电源控制电路11的电压反馈输入端连接。

由于本实施方式中的开关电源控制电路11的电压反馈输入端CMPR呈现高电位时，其输出将被关断，所以当本实施方式所述的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块中的运放工作电源V12过低的时候，说明电路有故障，此时保护电路8将输出高电位信号给开关电源控制电路11的电压反馈端，使开关电源控制电路11停止工作，直到运放工作电源V 12恢复到正常电压才恢复工作。

具体实施方式四：参见图8说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式三所述的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块的区别在于，所述保护电路8是输出短路保护电路，所述保护电路8的输入信号是升压电路3的输出电压采样信号VF，当保护电路8在输入信号为零电位的时候，说明本实施方式的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块的输出短路，则保护电路8输出高电位信号。

本实施方式的保护电路8由运放U1A和三个电阻组成，电阻R5和R6串联接在运放电源V12和电源地之间，电阻R5和R6的连接端与运放U1A的正向输入端连接，运放U1A的反向输入端与分压采样电路15的输出端连接，运放U1A的输出端通过电阻R7与开关电源控制电路的电压反馈信号输入端连接。本实施方式的保护电路8，当升压电路3的输出端短路的时候，升压电路3的输出电压采样信号VF为零电位，即保护电路8的反向输入信号为零电位，则其输出信号为正向输入的信号，即高电位，开关电源控制电路11停止工作。

具体实施方式五：参见图9说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式三所述的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块的区别在于，所述保护电路8是过热保护电路，所述保护电路8是滞回比较电路，所述保护电路8的信号输入端连接一支热敏电阻，用来测量电路中易发热器件的温度，当温度过高的时候，保护电路8输出高电位信号。

本实施方式的保护电路8由运放U3A、热电偶R14和若干电阻组成，电阻R9的一端与运放电源V12连接，电阻R9的另一端分别与运放U3A的负向输入端和热电偶R14的一端连接，热电偶R14的另一端与电源地连接，电阻R8和R10串联在运放电源V12和电源地之间，电阻R8和R10的连接端通过电阻R11与运放U3A的正向输入端连接，电阻R12连接在运放U3A的正向输入端和输出端之间，运放U3A的输出端通过电阻R13与开关电源控制电路11的电压反馈信号输入端连接。当电路中易发热器件的温度过高的时候，保护电路8中的热电偶R14的阻抗下降，使运放U3A的反向输入端的电位下降，使运放输出由低电位翻转为高电位，达到停止开关电源控制电路11工作的目的，由于采用的是滞回比较电路，所以当易发热器件的温度下降到一定温度之后，运放U3A的输出才会再次翻转成低电位，此时电路才能正常工作。

具体实施方式六：参见图10说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一至四所述的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块的区别在于，它包括多个保护电路8和多个二极管，所述保护电路8在启动保护时输出高电位信号，每个保护电路8的信号输出端与一个二极管的阳极连接，多个二极管的阴极并联后与开关电源控制电路11的电压信号反馈输入端CMPR连接。

本实施方式的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块，通过二极管将多个保护电路8的输出端连接到开关电源控制电路11的电压反馈信号输入端CMPR，这样，开关电源控制电路11来说，多个保护电路8的输出信号为“或”的关系，只要任意一个保护电路8的输出信号为高电平，都会触发开关电源控制电路11停止工作，进而实现了对基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块的多重保护，使其可靠性更高。

具体实施方式七：参见图11说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一至六所述的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块的区别在于，它还包括输出电压采样电路9，所述输出电压采样电路9由第二电位器R29和电压跟随器U15B组成，所述第二电位器R29的两个固定端分别和直流升压电路1中的滤波电路16的输出端和电源地连接，第二电位器R29的一个可调端和电压跟随器U15B的输入端连接。

本实施方式的输出电压采样电路9采用第二电位器R29对滤波电路16中的输出电压采样信号VCMP进行分压采样，得到1V至5V之间的电压信号VOL，在实际应用的时候，可以通过外部设备读取该电压信号计算获得本实施方式的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块实际输出驱动信号的峰-峰值的电压信息。

Claims (8)

1.基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块，它包括直流升压电路(1)、多路隔离驱动电路(3)、多路桥式斩波电路(4)和数字信号输入连接器(5)，每路隔离驱动电路(3)的信号输入端分别和数字信号输入连接器(5)的输出端连接，每路隔离驱动电路(3)的信号输出端与每路桥式斩波电路(4)的信号输入端连接，每路桥式斩波电路(4)的两个电源端分别与直流升压电路(1)的输出端和电源地连接，其特征在于所述直流升压电路(1)由开关电源控制电路(11)、功率驱动电路(12)、滤波电路(16)、升压电路(13)、分压电路(14)和分压采样电路(15)组成，所述开关电源控制电路(11)的控制信号输出端与功率驱动电路(12)的信号输入端连接，功率驱动电路(12)的信号输出端与升压电路(13)的控制信号输入端连接，升压电路(13)输出等于超声波电机驱动信号峰-峰值的直流驱动电压Vout的输出端分别与桥式斩波电路(4)、分压电路(14)和分压采样电路(15)的电源输入端连接，分压电路(14)的输出直流驱动电压信号Vout一半的驱动参考电压VCOM的输出端作为超声波电机驱动信号的公共端，分压采样电路(15)由两个电阻串联后并联在升压电路(13)的直流电压输出端和电源地之间，分压采样电路(15)的输出端与滤波电路(16)的信号输入端连接，滤波电路(16)的信号输出端与开关电源控制电路(11)的电压反馈信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块，其特征在于所述分压电路(14)由P型和N型场效应对管构成，所述分压电路的上桥臂为N沟道场效应管(Q24)，下桥臂为P沟道场效应管(Q29)，两支场效应管的栅极由稳压管(D19)连接，稳压管(D19)的阴极与上桥臂的N沟道场效应管(Q24)的栅极连接，稳压管(D19)的阳极与下桥臂P沟道场效应管(Q29)的栅极连接，上桥臂的N沟道场效应管(Q24)的栅极串连电位器(R30)和第三十三电阻(R33)后与与升压电路(13)的输出端连接，下桥臂的P沟道场效应管(Q29)的栅极通过第三十一电阻(R31)和电源地连接，上桥臂的N沟道场效应管(Q24)的漏极与下桥臂的P沟道场效应管(Q29)的源极连接输出等于升压电路(13)输出的直流驱动电压信号Vout的一半的驱动参考电压VCOM 作为超声波电机驱动信号的公共端。

3.根据权利要求1所述的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块，其特征在于所述升压电路(13)由一级升压电路(131)、二级升压电路(132)组成，功率驱动电路(12)的信号输出端同时与一级升压电路(131)和二级升压电路(132)的控制信号输入端连接，一级升压电路(131)的电压信号输入端与外界的低压直流电源的输出端连接，一级升压电路(131)的电压信号输出端Vo1与二级升压电路(132)的电压信号输入端连接，二级升压电路(132)输出等于超声波电机驱动信号峰-峰值的直流驱动电压Vout的输出端分别与桥式斩波电路(4)、分压电路(14)和分压采样电路(15)的电源输入端连接。

4.根据权利要求3所述的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块，其特征在于所述一级升压电路(131)和二级升压电路(132)均由场效应管和升压电感组成。

5.根据权利要求4所述的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块，其特征在于所述升压电感采用多根漆包线并行绕制，磁芯采用罐装磁芯或者非晶态磁环作导磁材料。

6.根据权利要求1所述的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块，其特征在于所述隔离驱动电路(3)采用场效应管专用驱动芯片，桥式斩波电路(4)是由两个N型场效应管构成的电桥，隔离驱动电路(3)的信号输入端和使能控制端分别与数字信号输入连接器(5)连接。

7.根据权利要求1所述的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块，其特征在于它还包括多个保护电路(8)和多个二级管，所述保护电路(8)在启动保护时输出高电位信号，每个保护电路(8)的信号输出端与一个二极管的阳极连接，多个二极管的阴极并联后与直流升压电路(1)中的开关电源控制电路(11)的电压反馈信号输入端(CMPR)连接。

8.根据权利要求1所述的基于直流升压、斩波的超声波电机驱动模块，其特征在于它还包输出电压采样电路(9)，所述输出电压采样电路(9)由第二电位器(R29)和电压跟随器(U15B)组成，所述第二电位器(R29)的两个固定端分别和直流升压电路(1)中的滤波电路(16)的输出端和电源地连接，第二电位器(R29)的一个可调端和电压跟随器(U15B)的输入端连接。

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