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任务书论文（设计）题目：超声波电机的设计学号：姓名：专业：指导教师：系主任：一、主要内容及基本要求超声波电机是国内外日益受到重视的一种新型驱动电机，通过查找相关文献，熟悉其工作原理和运行机理，结合本科所学机械各学科方面的知识，完成超声波电机结构部分的设计。
主要研究内容包括以下几个方面：1超声波电机的运行机理。
2定子谐振频率的计算。
3压电陶瓷换能器的设计和制作。
4定子的设计及制作。
5转子的设计及制作。
6编写设计说明书：设计说明书按设计程序编写。
基本要求：学习查阅文献，具备综合归纳资料的能力；综合运用本科阶段所学知识，分析与解决超声波电机结构设计过程中所遇问题；并利用AutoCAD软件绘制了其装配图和各个零件图；通过翻译3000字的外文资料获取国外在该行业的最新发展动态。
二、重点研究的问题理解超声波电机的工作原理和运行机理，弄清其结构特点，定子谐振频率的计算，定子的设计及制作，转子的设计及制作；理解超声波压电陶瓷和压电振子的特性，弄清超声波电机的振动特性及动力响应特性；理解超声波电机的驱动和控制及超声波电机的分析与设计。
设计一台超声波电机。
三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1 选题第1周2 查阅与收集资料第2~5周3 超声波电机结构的设计第6~9周4 完成所要求图纸第10~11周5 完成设计说明书第12~13周6 进行最后的修改第14周7 答辩第15周四、应收集的资料及主要参考文献[1] 刘晋春，特种加工，第五版[M].机械工业出版社.2008[2] 史敬灼，超声波电机运动控制理论与技术.北京:科学出版社.2011.10[3] 胡敏强，金龙，顾菊平，超声波电机原理与设计. 北京: 科学出版社.2005[4] 姜楠，方光荣，刘俊标，束娜. 国内外超声波电动机驱动技术的最新进展. 微特电机. 2005.9[5] 赵淳生，对发展我国超声电机技术的若干建议.微电机.2006[6] 胡敏强，超声电动机的研究及其应用[J].微特电机.2000[7] 淮良贵，纪名刚，机械设计,第六版[M].北京:高等教育出版社,1996[8] 郑凯，杨义勇，胡仁喜.Solid Edge应用教程[M].清华大学出版社，2008.4[9] 芦亚萍，孟繁琴，袁云龙.超声波电机研究现状.微电机.2005[10] 杨明，阙沛文. 超声电机变频驱动源的设计与分析. 压电与声光。
超声电机驱动功率放大电路马晨晨;纪跃波【摘要】针对超声电机驱动技术要求,提出一种新型超声电机驱动功率放大电路方案,即采用两级运算放大级并联与变压器组合方式;该电路电压放大级将原始信号电压小幅放大,继而信号进入功率放大级,此级选择2个功率放大器芯片并联进行功率放大,利用变压器升高电压幅值,使信号满足驱动超声电机要求.对两级运算放大电路仿真分析以及整体电路的测试结果表明,其输出信号达到设计要求,该电路具有较好的功率放大能力,同时集成运放的使用进一步简化了电路复杂程度,并拥有较高的稳定性与经济性.【期刊名称】《济南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(032)005【总页数】5页(P389-393)【关键词】超声电机;功率放大电路;集成芯片;变压器【作者】马晨晨;纪跃波【作者单位】集美大学机械与能源工程学院,福建厦门 361021;集美大学机械与能源工程学院,福建厦门 361021【正文语种】中文【中图分类】TN7;TM35超声电机(USM)的驱动信号是具有一定功率的高频、高压正弦交流信号[1-4]，由驱动电路产生的原始小信号必须经功率放大，才能满足USM稳定运行的驱动技术要求。
USM使用压电陶瓷作为驱动关键元件，考虑到其存在迟滞、非线性、储存电荷、驱动能力大等特性[4-6]，要求设计的信号功率放大电路应具有稳压性好、输出电压较大、线性度高、非线性失真度小、电流驱动能力强等特点，从而产生较为理想的驱动效果。
目前，对该信号进行功率放大主要有2种方法：一是利用功率金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为输出级搭设的甲乙类对称功率放大电路，这种开关式电路效率高，但输出信号电压波动大，电路实现复杂，频率特性也较差[7]；二是直接选用高压运算放大芯片设计功放电路[4]，如APEX公司出品的PA89、PA95等系列运算放大器(简称运放)，具有静态性能好、电路结构简单、输出电压高(峰峰值可达900 V)等优点，但输出电流小于200 mA，限制了其动态性能[7]，同时芯片供电电压要求严格，而且价格高达数千元，不利于USM 的应用推广。
一种可编程的超声电机半桥驱动电路张帆;衣溪琳;石紫明;邱双杰;罗萍【摘要】基于超声电机工作的逆压电效应,设计了一种体积小、精度高的超声电机半桥驱动电路.采用FPGA产生两相可调方波信号,将其输入半桥控制模块.利用该模块的LM5106集成芯片产生具有死区时间的四路方波信号用于驱动两个半桥,半桥的两路输出信号通过匹配滤波后驱动超声电机工作.为达到超声电机工作电压幅值要求,采用Boost升压电路为半桥供电.实验结果表明,设计出的电路可产生频率、相位差、占空比可精确调节的两相信号,满足额定工作电压为40～80 V的超声电机的驱动要求.%This paper designs a small,high precision half-bridge driving circuit based on the inverse piezoelectric effect of ultrasonic motor.Two-phase adjustable square-wave signal are generated by a FPGA,which acts as input signal into half-bridge control module.The integrated chipLM5106 in this module outputs four channel square-ware signals possessed with dead time to drive two half-bridges,whose output signal drives ultrasonic motor through the matched filter.To meet the amplitude requirement of ultrasonic motor's working voltage,a boost circuit is used as the supply of half-bridge circuit.The results we obtained demonstrate that the whole circuit generates two signals whose frequencies,phase difference and duty ratios are precisely adjustable,that meets the driving requirement of ultrasonic motor whose rated working voltage is 40～80 V.【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2017(025)011【总页数】4页(P129-132)【关键词】超声电机;半桥驱动;FPGA;信号产生【作者】张帆;衣溪琳;石紫明;邱双杰;罗萍【作者单位】电子科技大学微电子与固体电子学院,四川成都610054;电子科技大学微电子与固体电子学院,四川成都610054;电子科技大学微电子与固体电子学院,四川成都610054;电子科技大学微电子与固体电子学院,四川成都610054;电子科技大学微电子与固体电子学院,四川成都610054【正文语种】中文【中图分类】TN4超声电机具有低速大扭矩、结构紧凑、无电磁干扰等优点，近年来被广泛应用于高端运动控制应用领域[1-5]。
电动机知识电机驱动芯片LMD18200原理及应用1、主要性能l 峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A；l 工作电压高达55V；l Low RDS(ON) typically 0.3W per switch；l TTL/CMOS兼容电平的输入；l 无“shoot-through”电流；l 具有温度报警和过热与短路保护功能；l 芯片结温达145℃，结温达170℃时，芯片关断；l 具有良好的抗干扰性。
2、典型应用l 驱动直流电机、步机电机l 伺服机构系统位置与转速l 应用于机器人控制系统l 应用于数字控制系统l 应用于电脑打印机与绘图仪3、内部结构和引脚说明LMD18200外形结构如图1所示，内部电路框图2如图所示。
它有11个引脚,采用TO-220和双列直插式封装。
各引脚的功能如下：引脚名称功能描述1、11桥臂1，2的自举输入电容连接端在脚1与脚2、脚10与脚11之间应接入10uF的自举电容2、10H桥输出端3方向输入端转向时，输出驱动电流方向见表1。
该脚控制输出1与输出2（脚2、10）之间电流的方向，从而控制马达旋转的方向。
4刹车输入端刹车时，输出驱动电流方向见表1。
通过该端将马达绕组短路而使其刹车。
刹车时，将该脚置逻辑高电平，并将PWM信号输入端（脚5）置逻辑高电平，3脚的逻辑状态决定于短路马达所用的器件。
3脚为逻辑高电平时，H桥中2个高端晶体管导通；3脚呈逻辑低电平时，H桥中2个低端晶体管导通。
脚4置逻辑高电平、脚5置逻辑低电平时，H 桥中所有晶体管关断，此时，每个输出端只有很小的偏流（1.5mA）。
5PWM信号输入端PWM信号与驱动电流方向的关系见表1。
该端与3脚（方向输入）如何使用，决定于PWM信号类型。
6、7电源正端与负端8电流取样输出端提供电流取样信号，典型值为377 A/A。
9温度报警输出温度报警输出，提供温度报警信号。
芯片结温达145℃时，该端变为低电平；结温达170℃时，芯片关断。
高性能超声电机软件驱动及控制电路研制
摘要：说明了一种高性能超声电机软件驱动及控制电路。该电路运用直接数字频率全成器
dds作为信号源，通过高压运放将信号放大到峰-峰值为250v，应用软件驱动超声电机；借
助温度传感器收集电机温度变化，采用计算机实时监控超声电机启动。
关键词：超声电机 直接数字频率合成器dd 温度传感器 高压运放
超声电机是一种压电陶瓷逆压电反应新品电机。及普通电磁电机相比，超声电机能直
接输出低转速大力矩，且瞬态响应快可达ms量级，定位精度高可达nm量级，非常适合取
代传统伺服电机及步进电机。目前超声电机已广泛使用于照相机及摄像机自动调焦系统，而
且在精密仪器对及航空航天领域也有许多使用。
尽管超声电机具有很多优点，但由于超声电机对于软件驱动信号有着较高条件，所对
目前国内外研发超声电机软件驱动及控制电路普遍存在电路体积大，控制性能单一等难题。
大多数超声电机控制特征研究成果还是及超声电机配套一般软件驱动电路，难对采用计算机
方便地进行超声电机控制特征研究成果。 针对上述难题，使用目前市面上流行
ddsicad9850与高压运放pa08研发出了一种高性能超声电机软件驱动及控制电路。该电路
能通过串行接口用教育处机实施控制与参量收集，并且信号频率及相位控制精度高；能在温
度传感器控制下解决方案信号频率自动调节，同时电路中还预留了4路模拟，数字通用传
感器接口。
1 超声电机软件驱动及控制电路工作原理知识
由超声电机工作机理[1]可知，大部分超声电机启动需关联驱控制电路供应两路频率相
同，相位差为90度或可调，频率为20khz～100khz，输出信号峰-峰值为100～350v，功
率为0.1～10w交变信号。此外，由于超声电机最佳工作频率是由系统机械共振频率决定，
而对压电器件为主振动系统共振频率会随着外界型号参数如温度，预压力等改变发生变化，
因此一款好超声电机软件驱动及控制电路必须能够很好地对系统共振频率变化实施跟踪，从
而确保电机稳定启动。
2 电路基本构成与原理知识
超声电机软件驱动及控制电路主要由对下5个部分结合：dds信号发生单元，信号隔
离单元，信号功率放大单元，温度传感器单元，单片机主控与接口控制单元参见图1。
主控单片机 dds信号发生单元产生两路独立正弦信号，两路信号间相位差能在0～360度
范围内任意调节；两路信号分别经rc低通滤波与三极管射极跟随送到高速光耦，然后经由
高压运放放大到250v,应用软件驱动超声电机；超声电机工作一段时间后温度会发生变化，
该温度由温度传感器收集送到主控单片机处理；单片机将温度数据通过串行口传到pc机，
由pc机根据控制模型将修正后软件驱动频率控制字传回单片机，或者由单片机根据片内预
存温度-频率表修正dds信号发生频率。
考虑到将来扩展需，系统预留出4路a/d及通用i/o复用端口，用来与测量使用电机转
速光电编码器，应变片力矩传感器等接口。
对下分别就各单元结合与功能作简要说明。
2.1 单片机主控单元
主控单片机使用pic16f73a型单片机参见图2。该款单片机20mhz频率下对5mips工
作，片内带有4k falsh程序存储器，片上电子集成有3路定时器，1路usart(可解决方案rs232
通讯)，5路8-bita/d，路spii2c对及wdt看门狗。该单片机负责两路dds控制占用rbo～rb7，
rc0～rc2，rc5与串行接口数字式温度传感器控制使用i2c总线，占用rc3，rc4，并及pc机
通过rs232串行口交换数字占用rc6，rc7，同时该单片机还预留出4仅仅管脚接口ra0～ra3，
能工作在通用i/o或者a/d方法，便于将来及其它传感器或控制器接口。
一路dds信号发生单元
2.2 dds信号发生单元
dds信号发生单元运用两片ad9850直接数字频率合成器[2]参见图3，图3为其中一路，
另一路及的完全相同。该款dds具有较高性价比，能产生最高到62.5mhz信号，32bit频率
分辨率即在125mhz时钟下能达到0.0291hz，相位直接控制精度达11.25度，能使用8位
并行或串行方法输出总长40bit控制字。为了解决方案频率迅速更新，电路设计方案中使用
了并行输出方法，这样就能用5个字节完成dds频率及相位控制字更新。而且为了节省总
线资源，两枚ddsic共用8-bit数据线，复位线与串行时钟线，仅仅是使用不同数据更新控
制线fq-ud。
尽管11.25度相位控制精度在使用中已基本足够需求，但考虑到数据实验研究成果需，
可能需更高相位控制精度如1度左右。这一点能通过对下两种方法来解决方案：
一是通过改变两路数据更新线fq-ud间上升沿延时来解决方案。考虑到单片机定时精度
约为0.2μs，这一方法在信号频率为50khz时能达到3.6度相位控制精度。
二是通过短时间内改变两路信号频率一致性，使得其中一路频率比另一路偏高几赫兹
来解决方案。这种方法原理知识及高频通讯中通过调频方法解决方案调相原理知识基本相
同，能解决方案优于0.1度相位控制精度。例如：两路信号中一路频率为50khz，另一路为
50.001khz。开始时两路相位相同，200μs即10个周期后两路相位差变为
10×360/50000=0.072度。
2.3 信号隔离单元
考虑到信号放大部分电压较高约为260v，而且信号发生部分还需与计算机接口，为保
证电路能完全可靠地工作，在信号发生单元与放大单元间加入了一级信号隔离单元。该单元
运用一片hp2531高速光耦作信号传递器件。该光耦具有3mhz带宽，内带两路独立光耦，
在1khz～300khz间作为线性光耦运用具有较好线性度。在光耦输入端还加了一级三极管射
极跟随电路，从而保证光耦输入端电流处于较佳工作点上参见图4。
信号隔离单元
2.4 信号放大单元
该单元使用两片pa08一系列高压运放[3]。这种ic使用8脚to3封装，能在±15v～±150v
电源范围内工作，输出电流可达±150ma，1mhz处增益带宽积为5mhz。该ic在运用上及
一般运放基本没有差别，仅仅是考虑到超声电机负载特征，在电路中加上了耐压200v对上
超快恢复二极管，对运放输出端加对保护，防止电路谐振时产生反向电压超出ic极限压差
300v。此外，谝ic通过外接两枚电阻图5中r7，r8对输出电流加对限制，解决方案对电路
保护用处。电路运用高压电源直接由220v交流市电整流产生，通过两枚130v稳压管与串
连在回路中功率电阻向高压运放供应工作电源。输出信号幅度能方便地通过改变运放增益系
数解决方案调节图5中电位器r11就能。
2.5 温度传感器单元
温度传感器部分使用两种方案实例：
一种是运用max6656[4]。该ic共供应3路温度传感器，片内一路，片外两路，温度分
辨率为0.125。此外，该ic还供应3路电压监测对及温度，电压超限报警。数据传送使用i2c
总线。电路通过在片外接两枚sot23封装pnp三极管2n3904来解决方案对超声电机机壳温
度两点收集，收集结果由单片机处理后送pc机进行监测处理。
另一种是使用lm74温度传感器[5]。该款温度传感器使用so-8封装，可直接将温度传
感器贴在电机机壳上。该温度传感器分辨率为0.0625℃,而且由于是直接将温度进行a/d量
化后通过spi总线输出，因而不受普通外接导线电阻对及电路布线，干扰影响。运用该ic
唯一不够是需从电路板上引出4～5根连线，不如前一种方案实例中两根连线实际选择使用
是2mm细同轴电缆方便。
3 日本新生公司超声电机软件驱动及控制电路介绍
新生公司超声电机软件驱动电路能够输出两路频率在50khz附近，相位差90度正弦信
号，通过频率微调方法调节超声电机转速，由外置开关控制电机运行与运转方向。此外还能
通过电机上预留反馈极解决方案频率小范围自动跟踪。该电路除功率驱部分与变压器外，大
部分单元已经电子集成到新生公司定制芯片ic缺点在于信号相位固定，信号电压调节也不
方便，此外电机没有预留出较灵活控制接口，电机控制策略也较简单。由于大部分超声电机
并未设置专门反馈极，所对该电路普通仅仅适合于该公司特定一系列超声电机。此外，由于
该电路运用24v直流电压供电，因此运用中还需专门配备一功率不小于10w整流电源，运
用起来不方便。
4 数据实验测试使用
数据实验运用20mhz有源晶振作为单片机与dds共用时钟源。本文设计方案电路能在
20khz～300khz范围内产生两路稳定工弦波，信号峰-峰值最高可达250v，两路最大输出功
率的与约为5w。在软件驱动新生公司usr30型超声电机时，输出信号频率随电机温度在
50.1khz～49.2khz间变化温度升高软件驱动频率减少，vpp=210v时单路输出电流ipp约为
230ma。
本超声电机软件驱动及控制系统具有如下优点：
系统构造简单，功放部分无需输入变压器及阻抗匹配电路，可靠性高；无需电源变压
器，可直接使用市电供电，运用方便；程序研发难度小，用户能在计算机上方便地运用各种
熟悉编程代码环境如vc，vb，matlab等完成控制程序编写；频率及相位控制精度高，信号
幅度调整也相比较方便；通过电路自带温度传感器与附设接口能方便地进行反馈参量收集；
通用性好，适合大部分中低功率超声电机5w对下。
