一种高Q值压电行波超声微电机驱动器的制作方法

本发明属于超声电机技术领域，具体涉及一种高q值压电行波超声微电机驱动器。

背景技术：

微超声电机作为一种利用mens技术设计制作的新型驱动器件，其在交编电压激励下利用压电材料层的逆电效应激发定子产生高频微幅振动，同时通过定、转子接触界面上的切向摩擦力驱动转子产生转动，实现电机的扭矩输出，从而实现电能向机械等的转换。微超声电机与传统电磁电机相比，具有体积小、响应快(毫秒级)、低速大扭矩、低噪声、抗电磁干扰和自锁能力强能有点，有着广阔的应用前景。

在电机工作过程中，定子处于持续振动状态，因此研究振动过程中的能量损耗问题是高性能超声电机设计的重要任务之一，所有的谐振器件都是一个或多个机械结构将其与基板或周围结构连接起来，与在空间自由振动的自由梁不同，这些连接为谐振器到周围环境的能量损耗提供了桥梁，即成为了限制器件品质因数的关键，mems超声电机作为谐振器件，其工作在正交模态谐振状态下，定子边缘和基地通常由悬臂梁连接，这些连接点称为锚点，锚点为定子到基地的能量损失提供了桥梁，降低了定子结构的品质因数，且在定子边缘产生了交大的面外运动和角度偏转，锚点的应力集中使得定子工作与不稳定状态，对器件的性能产生较大的影响。

而超声微电机需要由超声电机驱动器提供两路正交相位的超声频率来驱动工作；目前，已有的全分立元器件的超声电机驱动器，可以实现电机的启动、停止和调速，但是不能实现与上位机的通信，采用分立元件使得驱动器的体积比较大；超声电机在工作中，接近共振点时功耗增加、电流增大，如果没有保护会损坏电机驱动器。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的高q值压电行波超声微电机驱动器解决了现有的驱动器体积大，驱动效率低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种高q值压电行波管超声微电机驱动器，包括驱动模块、信号反馈模块和超声微电机；

所述驱动模块包括控制器、滤波电路、相移电路、放大电路和电流检测电路；所述控制器、滤波电路、相移电路、放大电路和超声微电机依次连接，所述放大电路还通过电流检测电路与控制器连接；

所述信号反馈模块包括孤极信号反馈电路、电压比较电路和参考电压调节电路，所述超声微电机、孤极信号反馈电路、电压比较电路和控制器依次连接，所述电压比较电路还与参考电压调节电路连接；

所述超声微电机包括定子、转子、转轴和壳体；所述转子紧贴于定子上表面，所述定子与壳体固定连接，所述壳体与转轴转动连接，所述转子套接固定于转轴上，所述定子分别与放大电路和孤极信号反馈电路连接。

本发明的有益效果为：本发明提供的高q值压电行波超声微电机驱动器这种能够稳定输出2路频率为20～60khz且幅值与相位可调的正弦电压信号；在超声微电机工作异常时，它可以自动调整输出信号频率，从而保证电机稳定运行；由于包含了高q值压电行波超声微电机，具有体积小，驱动效率高的特点，同时具有良好的通用性与经济性。

进一步地，所述滤波电路为二阶巴特沃斯低通滤波电路；

所述相移电路为包括运算放大器、电阻和电容的rc有源相移电路。

上述进一步方案的有益效果为：巴特沃斯低通滤波器在通频带内的幅频曲线具有最大平坦的振幅特性，在其阻频带内的幅频曲线趋近于0；该有源相移电路可以增加相位角可调范围，同时反向放大电路可以补偿输出信号的电压幅值衰减。

进一步地，所述放大电路包括依次连接的前置电压放大子电路和功率放大子电路；

所述前置电压放大子电路包括型号为ad811an的运放u1；

所述运放u1的同相输入端通过电阻r1与相移电路的输出端连接，所述运放u1的反向输入端与接地电阻r2连接，并通过可调电阻r3与运放u1的输出端连接，所述运放u1的电源端分别与+15v电源、接地电容c1和接地电容c2连接，所述运放u1的接地端分别与-15v电源、接地电容c3和接地电容c4连接；所述功放u1的输出端作为前置电压放大电路的输出端；

所述功率放大子电路包括型号为opa541am的功放u2；

所述功放u2的同相输入端通过电阻r4与前置电压放大电路的输出端连接，所述功放u2的反相输入端与接地电阻r3连接，所述功放u2的反相输入端还分别与电容c7的一端和电阻r5的一端连接，所述电阻r5的另一端和电容c7的另一端均与功放u2的输出端连接，所述功放u2的电源端分别与-30v电源、接地电容c5和接地电容c6连接，所述功放u2的输出端作为功率放大电路的输出端与超声微电机连接；

所述电流检测电路包括型号均为lf353的运放u3和运放u4；

所述运放u3的反相输入端与运放u3的输出端连接，所述运放u3的同相输入端与电阻r5的一端连接，所述电阻r5的另一端分别与功率放大子电路的输出端和电阻r6的一端连接，电阻r6的另一端分别与可调电阻r7的第一固定端和可调电阻r7的活动端连接，可调电阻r7的第二固定端接地，所述运放u3的电源端与接地电容c8连接；

所述运放u3的输出端通过电阻r9与运放u4的反相输入端连接，所述运放u4的同相输入端与接地电阻r10连接，所述运放u4的输出端分别与电阻r11的一端、接地电阻r8和接地电容c11连接，所述电阻r11的另一端与接地电容c12连接，所述电阻r11的另一端作为电流检测电路的输出端与控制器连接。

上述进一步方案的有益效果为：该功率放大子电路中的芯片u2内部存在过流保护电路，性能优秀且性价比高，满足双定子行波型旋转超声电机驱动信号的需求；电流检测电路该电路用于检测超声微电机驱动过程中电流，实现对电机驱动过程的过流保护。

进一步地，所述信号反馈模块中；

所述孤极信号反馈电路包括整流器t1，所述电压比较电路包括光耦t2，所述参考电压调节电路为可调电阻r17；

所述整流器t1的第1引脚与可调电阻r13的活动端连接，可调电阻r13的第一固定端与通过电阻r12与超声微电机连接；

所述整流器t1的第3引脚与可调电阻r13的第二固定端连接并接地；

所述整流器t1的第2引脚分别与电容c13的一端、电阻r15的一端和晶闸管d1的正极连接，电阻r15的另一端分别与电阻r14的一端、电容r14的一端和晶闸管d1的控制端连接，电容c14的另一端与电阻r16的一端连接，电阻r16的另一端和晶闸管d1的负极均与光耦t2的二极管的负极连接；

所述整流器t1的第4引脚分别与电容c13的另一端、电阻r14的另一端和电阻r16的一端连接，电阻r16的另一端与光耦t2的二极管的正极连接；

所述光耦t2的三极管的集电极分别与可调电阻r17的活动端和可调电阻r17的第一固定端连接，可调电阻r17的第二固定端接地；

所述光耦t2的三极管的发射极与电阻r18的一端连接，电阻r18的另一端与接地电阻r19连接，电阻r18的另一端作为电压比较电路的输出端与控制器连接。

上述进一步方案的有益效果为：通过信号反馈模块采集的孤极反馈信号电压，反馈至控制器中，实现电机定子振动频率的自动调节。

进一步地，所述定子包括压电陶瓷和硅基底；

所述压电陶瓷固定设置于硅基底上表面，且所述压电陶瓷的上表面和下表面均设置有一层pt电极；

所述转子的下表面粘结有一层摩擦层，所述摩擦层紧贴于压电陶瓷的上表面；

所述硅基底外侧边缘设置有切口，所述切口内设置有与之配合的悬臂梁支撑件，所述硅基底通过悬臂梁支撑件与壳体固定连接。

进一步地，所述定子在其模态中的节圆和节径的交点在切口的闭合端端点所形成的圆周上；

所述切口由闭合端端点向硅基底外侧边缘延伸；

每个所述切口内均设置有悬臂梁支撑件；

所述悬臂梁支撑件的一端镶嵌于切口内，另一端延伸出硅基底的外侧边缘。

进一步地，所述切口的数量为定子在其模态中的行波数量的4倍，每个所述切口均匀设置于硅基底上；

所述硅基底上切口的开口端的外侧还设置有圆环，所述圆环的内侧边缘恰好与每个所述悬臂梁支撑件的另一端端部连接。

进一步地，所述悬臂梁支撑件上设置有电极引线；

所述电极引线的一端与压电陶瓷上的pt电极连接，另一端与距离该悬臂梁支撑件最近的锚点支承连接。

进一步地，所述控制器的型号为c8051f120。

上述进一步方案的有益效果为：该电机定子结构其模态具有正交匹配模态，且锚点支承的位移极小，保证了与锚点相连的悬臂梁支承的内部所有点的位移接近为零。最大限度的限制了定子通过悬臂梁损耗到周围环境的能量，保证了系统的机电转换效率和高品质因数。

附图说明

图1为本发明中的高q值压电行波超声微电机驱动器结构图。

图2为本发明中的滤波电路原理图。

图3为本发明中的相移电路原理图。

图4为本发明中的前置电压放大子电路原理图。

图5为本发明中的功率放大子电路原理图。

图6为本发明中的电流检测电路原理图。

图7为本发明中的信号反馈模块电路原理图。

图8为本发明中的超声微电机正视结构图。

图9为本发明中的超声微电机俯视结构图。

其中：1、硅基底；2、转子；3、压电陶瓷；4、摩擦层；5、转轴；6、壳体；7、圆环；8、电极引线；9、锚点支承；10、悬臂梁支撑件。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种高q值压电行波管超声微电机驱动器，包括驱动模块、信号反馈模块和超声微电机；

驱动模块包括控制器、滤波电路、相移电路、放大电路和电流检测电路；控制器、滤波电路、相移电路、放大电路和超声微电机依次连接，放大电路还通过电流检测电路与控制器连接；

信号反馈模块包括孤极信号反馈电路、电压比较电路和参考电压调节电路，超声微电机、孤极信号反馈电路、电压比较电路和控制器依次连接，电压比较电路还与参考电压调节电路连接；

超声微电机包括定子、转子2、转轴5和壳体6；转子2紧贴于定子上表面，定子与壳体6固定连接，壳体6与转轴5转动连接，转子2套接固定于转轴5上，定子分别与放大电路和孤极信号反馈电路连接。

如图2所示，上述滤波电路为二阶巴特沃斯低通滤波电路，滤波器是一种用来做信号频率选择的装置，其会让所需频率的信号通过，而抑制会衰减干扰信号；相比与其他滤波器，巴特沃斯低通滤波器在通频带内的幅频曲线具有最大平坦的振幅特性，在其阻频带内的幅频曲线趋近于0；该低通滤波电路是由运放tl072cp、电阻(r)以及电容(c)所构成，其具备设计模块化、集成度高、与其他电路易级联等优点。

如图3所示，相移电路为包括运算放大器、电阻和电容的rc有源相移电路。单定子行波型旋转超声电机的驱动信号需要两路正弦电压信号，且两路之间具有90°的相位差。两路原始信号通过有源低通滤波电路处理后，须针对两路输出信号进行移相处理，从而使每两路信号获得一定相位差。如图3所示的有源相移电路可以增加相位角可调范围，同时反向放大电路可以补偿输出信号的电压幅值衰减。

上述放大电路包括依次连接的前置电压放大子电路和功率放大子电路；

其中，如图4所示，前置电压放大子电路包括型号为ad811an的运放u1；

运放u1的同相输入端通过电阻r1与相移电路的输出端连接，运放u1的反向输入端与接地电阻r2连接，并通过可调电阻r3与运放u1的输出端连接，运放u1的电源端分别与+15v电源、接地电容c1和接地电容c2连接，运放u1的接地端分别与-15v电源、接地电容c3和接地电容c4连接；功放u1的输出端作为前置电压放大电路的输出端；

如图5所示，功率放大子电路包括型号为opa541am的功放u2；

功放u2的同相输入端通过电阻r4与前置电压放大电路的输出端连接，功放u2的反相输入端与接地电阻r3连接，功放u2的反相输入端还分别与电容c7的一端和电阻r5的一端连接，电阻r5的另一端和电容c7的另一端均与功放u2的输出端连接，功放u2的电源端分别与-30v电源、接地电容c5和接地电容c6连接，功放u2的输出端作为功率放大电路的输出端与超声微电机连接；该电路中的芯片u1电源的输入电压最高可达±40v，可连续输出5a大电流，具有足够的驱动该超声电机的能力。同时，其内部存在过流保护电路，性能优秀且性价比高，满足双定子行波型旋转超声电机驱动信号的需求。

如图6所示，电流检测电路包括型号均为lf353的运放u3和运放u4；

运放u3的反相输入端与运放u3的输出端连接，运放u3的同相输入端与电阻r5的一端连接，电阻r5的另一端分别与功率放大子电路的输出端和电阻r6的一端连接，电阻r6的另一端分别与可调电阻r7的第一固定端和可调电阻r7的活动端连接，可调电阻r7的第二固定端接地，运放u3的电源端与接地电容c8连接；运放u3的接地端分别与接地电容c9和-15v电源连接。

运放u3的输出端通过电阻r9与运放u4的反相输入端连接，运放u4的同相输入端与接地电阻r10连接，运放u4的输出端分别与电阻r11的一端、接地电阻r8和接地电容c11连接，电阻r11的另一端与接地电容c12连接，电阻r11的另一端作为电流检测电路的输出端与控制器连接。该电路用于检测超声微电机驱动过程中电流，实现对电机驱动过程的过流保护。

如图7所示，信号反馈模块中；孤极信号反馈电路包括整流器t1，电压比较电路包括光耦t2，参考电压调节电路为可调电阻r17；

整流器t1的第1引脚与可调电阻r13的活动端连接，可调电阻r13的第一固定端与通过电阻r12与超声微电机连接；

整流器t1的第3引脚与可调电阻r13的第二固定端连接并接地；

整流器t1的第2引脚分别与电容c13的一端、电阻r15的一端和晶闸管d1的正极连接，电阻r15的另一端分别与电阻r14的一端、电容r14的一端和晶闸管d1的控制端连接，电容c14的另一端与电阻r16的一端连接，电阻r16的另一端和晶闸管d1的负极均与光耦t2的二极管的负极连接；

整流器t1的第4引脚分别与电容c13的另一端、电阻r14的另一端和电阻r16的一端连接，电阻r16的另一端与光耦t2的二极管的正极连接；

光耦t2的三极管的集电极分别与可调电阻r17的活动端和可调电阻r17的第一固定端连接，可调电阻r17的第二固定端接地；

光耦t2的三极管的发射极与电阻r18的一端连接，电阻r18的另一端与接地电阻r19连接，电阻r18的另一端作为电压比较电路的输出端与控制器连接。

如图8至图9所示，超声微电机包括定子、转子2、转轴5和壳体6；转子2紧贴于定子上表面，定子与壳体6固定连接，壳体6与转轴5转动连接，转子2套接固定于转轴5上，其中，定子和转子2均为中控的圆柱形腔体，且转子2的尺寸小于定子尺寸。

上述定子包括压电陶瓷3和硅基底1；压电陶瓷3固定设置于硅基底1上表面，压电陶瓷3的厚度远小于硅基底1的厚度，压电陶瓷3的上表面和下表面均设置有一层pt电极，并做了分区处理；转子2的下表面粘结有一层摩擦层4，摩擦层4紧贴于压电陶瓷3的上表面。硅基底1外侧边缘设置有切口，为悬臂梁支撑件10提供了放置空间，切口内设置有与之配合的悬臂梁支撑件10，硅基底1通过悬臂梁支撑件10与壳体6固定连接。

定子在其模态中的节圆和节径的交点在切口的闭合端端点所形成的圆周上；切口由闭合端端点向硅基底1外侧边缘延伸；每个切口内均设置有悬臂梁支撑件10；悬臂梁支撑件10的一端镶嵌于切口内，另一端延伸出硅基底1的外侧边缘；该悬臂梁支撑件10为电极引线8提供了电路轨迹。

切口的数量为定子在其模态中的行波数量的4倍，每个切口均匀设置于硅基底1上；每个悬臂梁支撑件10的一端镶嵌于切口内，另一端延伸出硅基底1的外侧边缘；硅基底1外侧还设置有圆环7，圆环7的内侧边缘恰好与每个悬臂梁支撑件10的另一端端部连接。该圆环7上均匀设置有数量为悬臂梁支撑件10数量一半的锚点支承9，每个锚点支承9的设置位置对应于相邻两个悬臂梁支撑件10的中间位置。每个悬臂梁支撑件10上设置有电极引线8；电极引线8的一端与压电陶瓷3上的pt电极连接，另一端与距离该悬臂梁支撑件10最近的锚点支承9连接。(图9中环形定子结构b13模态波数为3，所以切口数量为12)。

本发明中的控制器的型号为c8051f120；用于产生驱动超声微电机的原始驱动信号，利用型号为c8051型单片机对其内部所拥有的可鞭策计数器阵列模块资源进行配置，从而产生频率可调的方波信号。

本发明提供的实施例中提供了该超声微电机的工作原理：当功率放大电路的电压信号施加到由压电陶瓷的硅基底构成的电机定子上时，通过压电陶瓷的逆压电效应，电机定子会发生完全形变，当外界电压信号频率和定子弹性体的固有频率接近时，定子将发生一定规律的机械共振，此时电子压电材料层表面激发出两列时间和空间上相差四分之一波长的驻波，两驻波叠加后可形成一列周向的行波，然后借助定子表面接触点椭圆时，定子和转子接触界面之间的切向摩擦力使它们产生相对滑动，实现转子的转动。在本发明中的定子结构其模态具有正交匹配模态，且锚点支承的位移极小，保证了与锚点相连的悬臂梁支承的内部所有点的位移接近为零。究其原因在于悬臂梁的弯曲刚度远小于外圆环的弯曲刚度，悬臂梁的变形不能引起外圆环的变形。最大限度的限制了定子通过悬臂梁损耗到周围环境的能量，保证了系统的机电转换效率和高品质因数。

在本发明的一个实施例中，提供了该超声微电机驱动器的工作原理：首先，单片机输出2路可调频率的同频等幅方波电压信号；然后，经过低通滤波电路转换成2路光滑的正弦电压信号，并连接有源移相电路用于调整其中2路信号相位至90°；最后，通过利用前置电压放大电路、功率放大电路及变压器对4路输入信号进行一定的功率放大，使得到的高频高压正弦信号可以驱动超声电机正常运行。鉴于双定子行波型旋转超声电机在运行过程中受温升影响而导致转速下降，通过利用附着在定子表面的压电陶瓷元件(孤极)检测其信号电压并反馈，实现驱动信号频率的自动调整，进一步保证超声电机的平稳运行。

本发明的有益效果为：本发明提供的高q值压电行波超声微电机驱动器这种能够稳定输出2路频率为20～60khz且幅值与相位可调的正弦电压信号；在超声微电机工作异常时，它可以自动调整输出信号频率，从而保证电机稳定运行；由于包含了高q值压电行波超声微电机，具有体积小，驱动效率高的特点，同时具有良好的通用性与经济性。