超声波电机的驱动装置及方法与流程

1.本发明涉及电机驱动技术领域，特别地，涉及一种超声波电机的驱动装置及方法。


背景技术：

2.超声波电机利用逆压电效应或电致伸缩效应使得电机的定子在超声频段产生微观机械振动，并将这种振动通过共振放大和摩擦耦合变换成旋转或直线型运动。与传统电机相比，超声波电机具有以下特点：低速大力矩输出、启停控制性好、能直接驱动、精确定位、噪音小，不受电磁干扰等等。
3.目前超声波电机在低转速环境下工作时，超声波电机的驱动频率会偏离谐振点，造成超声波电机功率降低，扭矩降低。目前采用的pwm模式调速会使得超声波电机不断地瞬间启动瞬间停止，会造成超声波电机的转子启停瞬间振幅变化幅度过大以产生较大噪声。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种超声波电机的驱动装置及方法，以解决电机调速、低转速驱动存在噪声的技术问题，从而进一步提高了超声波电机的稳定性。
5.根据本发明的一方面，提供一种超声波电机的驱动装置，包括：控制器，用于在电机的工作模式下根据与目标转速对应的预设电压信号提供与驱动频率对应的控制电压；
6.处理器，与所述控制器连接，并根据所述控制电压生成对应的驱动信号，进而基于所述驱动信号驱动所述电机，
7.其中，所述目标转速位于低转速区间时，所述驱动频率随时间呈正弦波形变化。
8.可选地，所述目标转速位于高转速区间时，对应的所述驱动频率为定值。
9.可选地，所述控制器还用于在电机的启动模式下提供控制电压，所述处理器基于所述控制电压生成对应的驱动信号，进而软启动所述电机，并在软启动后以目标转速工作。
10.可选地，所述启动频率随时间变化而逐渐降低至所述目标转速对应的驱动频率的下限值。
11.可选地，还包括：
12.调速器，基于所述目标转速提供所述预设电压信号，并将所述预设电压信号提供至所述控制器。
13.可选地，所述控制器包括：
14.控制单元，用于存储预设启动时间及启动频率，基于使能信号和预设启动时间判断所述电机处于所述启动模式或者所述工作模式；
15.第一运算单元，与所述控制单元连接，在所述启动模式下接收所述启动频率，在所述工作模式下根据所述预设电压信号获取所述驱动频率的上限值和下限值，并产生对应的所述驱动频率；以及
16.第二运算单元，与所述第一运算单元连接，并基于所述驱动频率及所述启动频率提供对应的所述控制电压，其中，所述控制电压与频率值正相关。
17.可选地，所述目标转速位于低转速区间时，所述驱动频率的上限值和下限值不相等，对应的所述第二运算单元提供的所述控制电压为具有直流分量的交流电压。
18.可选地，所述目标转速位于高转速区间时，所述驱动频率的上限值和下限值相等，对应的所述第二运算单元提供的所述控制电压为直流电压。
19.可选地，所述处理器包括：
20.信号发生单元，与所述控制器连接并基于所述控制电压转换得到基础频率信号；
21.分频单元，与所述信号发生单元连接，将所述基础频率信号分频处理以输出四路分频信号；以及
22.驱动单元，与所述分频单元连接，根据所述四路分频信号转换生成两路驱动信号。
23.可选地，所述基础频率信号的基础频率对应为所述驱动频率或者所述启动频率的4倍，所述分频信号的频率为所述基础频率的四分之一。
24.可选地，所述驱动信号为彼此间存在相位差的两路正弦波信号。
25.可选地，在所述预设启动时间内所述电机处于所述启动模式，经过所述预设启动时间进入所述工作模式。
26.根据本发明的另一方面，提供一种超声波电机的驱动方法，包括：
27.在电机的工作模式下根据与预设目标转速对应的预设电压信号提供与驱动频率对应的控制电压；以及
28.根据所述控制电压生成对应的驱动信号，进而基于所述驱动信号驱动所述电机，其中，所述目标转速位于低转速区间时，驱动频率随时间呈正弦波形变化。
29.可选地，所述目标转速位于高转速区间时，对应的所述驱动频率为定值。
30.可选地，还包括：
31.在电机的启动模式下提供控制电压；以及
32.基于所述控制电压生成对应的驱动信号，进而软启动所述电机，并在软启动后以目标转速工作。
33.可选地，所述启动频率随时间变化而逐渐降低至所述目标转速对应的驱动频率的下限值。
34.可选地，在电机的启动模式下提供控制电压的步骤包括：
35.基于使能信号和预设启动时间提供启动频率；以及
36.基于所述启动频率提供对应的控制电压，其中，所述控制电压与频率值正相关。
37.可选地，在电机的工作模式下根据目标转速提供对应的控制电压的步骤包括：
38.基于所述目标转速提供对应的预设电压信号；
39.根据所述预设电压信号获取对应的驱动频率；以及
40.基于所述驱动频率提供对应的控制电压，其中，所述控制电压与频率值正相关。
41.可选地，所述目标转速位于低转速区间时，基于所述目标转速获取得到驱动频率的上限值和下限值不相等，对应提供的所述控制电压为具有直流分量的交流电压。
42.可选地，所述目标转速位于高转速区间时，所述驱动频率的上限值和下限值相等，对应的所述第二运算单元提供的所述控制电压为直流电压。
43.可选地，根据所述控制电压生成对应的驱动信号的步骤包括：
44.基于所述控制电压转换得到基础频率信号；
45.将所述基础频率信号分频处理以输出四路分频信号；以及
46.根据所述四路分频信号转换生成两路驱动信号。
47.可选地，所述基础频率信号的基础频率对应为所述驱动频率或者所述启动频率的4倍，所述分频信号的频率为所述基础频率的四分之一。
48.可选地，所述驱动信号为彼此间存在相位差的两路正弦波信号。
49.可选地，还包括：
50.基于使能信号和设定时间判断所述电机处于所述启动模块或者工作模式，其中，所述使能信号的有效边沿到达时所述电机处于所述启动模式，所述启动模式持续设定时间后进入所述工作模式。
51.本发明提供的超声波电机的驱动装置及驱动方法，通过控制器和处理器基于目标转速提供对应的驱动信号以驱动电机，实现了对电机的调速控制。并且本技术在低转速工作模式下提供随时间变化呈正弦波形波动的驱动频率所对应的驱动信号驱动电机，以使电机的转子启停瞬间缓慢变化，进而抑制电机的转子所产生的噪音。
52.进一步地，电极驱动装置还在电机的启动模式向电机提供随时间变化逐渐降低的启动频率所对应的驱动信号软启动电机，以使电机在启动时达到参数变化后的谐振点，以实现电机正常启动。
附图说明
53.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
54.图1示出了根据本发明实施例提供的电机系统的结构示意图；
55.图2示出了根据本发明实施例提供的驱动装置的结构示意图；
56.图3示出了根据本发明实施例提供的驱动装置中转速与驱动频率之间的关系示意图；
57.图4示出了根据本发明实施例提供的驱动装置的一种工作波形示意图；
58.图5示出了根据本发明实施例提供的驱动装置的又一种工作波形示意图；
59.图6示出了根据本发明实施例提供的驱动装置中处理器的时序示意图；
60.图7示出了根据本发明实施例提供的驱动方法的流程示意图。
具体实施方式
61.以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
62.本技术提供的超声波电机的驱动装置及方法，可以解决超声波电机的调速、启动、低速转动存在噪声等技术问题。以下将以行波型超声波电机的驱动装置及驱动方法为例进行说明。行波型超声波电机的驱动信号为两路交流信号，两路交流信号的频率、幅值、相位差及波形都对行波型超声波电机的性能参数有直接的影响。
63.图1示出了根据本发明实施例提供的电机系统的结构示意图。
64.如图1所示，电机系统包括电机驱动装置100和电机200。电机驱动装置100包括控制器110和处理器120。控制器110用于在电机200的工作模式下根据预设的目标转速提供对
应的控制电压。处理器120与控制器110连接并根据控制电压生成对应的驱动信号，进而基于驱动信号驱动电机200，以使电机200以目标转速运转工作。其中，当目标转速位于低转速区间时认为电机200工作在低转速工作模式，对应的驱动信号的驱动频率随时间变化而波动。以避免电机200工作在低转速工作模式下不断地瞬间启动瞬间停止，造成因电机的转子启停瞬间振幅变化幅度过大引发的噪声。进一步地，目标转速低于第一阈值时，对应的驱动频率随时间呈正弦波形变化。
65.进一步地，目标转速位于高转速区间时，对应的驱动频率为定值。需要说明的是，高转速区间内的目标转速高于或者等于第一阈值，低转速区间内的目标转速低于第一阈值。
66.在其他实施例中，控制器110还用于在电机200的启动模式下提供控制电压，处理器120基于控制电压生成对应的驱动信号，进而基于驱动信号软启动电机200，并在软启动后以目标转速工作。进一步地，启动频率随时间变化而逐渐降低至目标转速对应的驱动频率的下限值。
67.图2示出了根据本发明实施例提供的驱动装置的结构示意图。图3示出了根据本发明实施例提供的驱动装置中转速与驱动频率之间的关系示意图。图4示出了根据本发明实施例提供的驱动装置的一种工作波形示意图。图5示出了根据本发明实施例提供的驱动装置的又一种工作波形示意图。图6示出了根据本发明实施例提供的驱动装置中处理器的时序示意图。
68.如图2所示，电机驱动装置100例如包括控制器110、处理器120以及调速器130。
69.调速器130基于目标转速v提供对应的预设电压信号，并将预设电压信号提供至控制器110。其中一个预设电压信号值与一个目标转速v相对应。
70.电机驱动装置100中的控制器110包括第一运算单元111、第二运算单元112以及控制单元113。控制单元113用于存储预设启动时间及启动频率，基于使能信号stv和预设启动时间判断电机200处于启动模式或者工作模式。进一步地，基于使能信号stv确定电机200处于开机或者停机。其中，当使能信号stv有效时，电机200开机，当使能信号stv无效时，电机200停机。其中，设定启动时间例如为25ms。其中，使能信号stv例如由外部系统模块提供。第一运算单元111与控制单元113连接，在电机200处于启动模式下，即第一运算单元111在使能信号stv跳变为有效电平状态且持续预设启动时间内接收由控制单元113输出的启动频率。在电机200处于工作模式下，即经过预设启动时间后第一运算单元111根据从调速器130接收的与目标转速v对应的预设电压信号获取对应的驱动频率的上限值和下限值。在电机200关机时，即使能信号stv为无效电平状态时调速器130不向第一运算单元111提供预设电压信号进而第一运算单元111不提供驱动频率且控制单元113不提供启动频率。第二运算单元112与第一运算单元111连接，并基于在工作模式下获取的驱动频率或者在启动模式下获取的启动频率提供对应的控制电压vctrl，其中，控制电压vctrl与频率值正相关。
71.在其他实施例中，使能信号stv例如直接由调速器130提供。
72.更进一步地，结合图3所示，当目标转速v位于低转速区间时，电机200基于目标转速工作在低转速工作模式下，其驱动频率随时间变化而波动。进而第一运算单元111基于目标转速v获取得到驱动频率上限值f1和驱动频率下限值f2，对应的第二运算单元112基于驱动频率上限值f1和驱动频率下限值f2提供的控制电压vctrl为具有直流分量的交流电压。
当目标转速v位于高转速区间时，电机200基于目标转速v工作在高转速工作模式下，其驱动频率为固定值，也即获取得到的驱动频率的上限值和下限值相等。进而第一运算单元111基于目标转速v获取得到一个恒定的驱动频率值f3，对应的第二运算单元112基于恒定的驱动频率值f3提供的控制电压vctrl为直流电压。其中，驱动频率与电机200参数相关。在高转速工作模式，不需要进行变频处理，同一转速时驱动频率不变。在低转速工作模式，电机200需要保持一定的扭矩，若驱动频率的下限值过高，则会增大平均频率值，降低转速，导致扭矩不足，进而需要做变频处理。
73.进一步地，结合图4所示，为电机200启动并在高转速工作模式下运行情况下控制器110的工作原理示意。控制器110的控制单元113接收到的使能信号的有效边沿到来时电机200处于启动模式并持续设定时间t11，在该设定时间t11内，控制器110的第一运算单元111提供预设的启动频率(包含了频率f11曲线在设定时间t11段对应的频率)，上述启动频率随时间增长而逐渐降低。具体地，预设的启动频率包含设定频率至该目标转速v对应的驱动频率之间的频率值。以使得电机200通过软启动可以在启动时达到参数变化后的谐振点，在谐振点电机200的峰值功率提升，可以克服最大静摩擦力，并且电机200的极间电容参数恢复至原极间电容参数，从而正常启动。在设定时间t11之后的时间t12内，电机200处于高转速工作模式，控制器110的第一运算单元111基于目标转速v提供一个恒定的驱动频率(指频率f11曲线在时间t12段内的频率值)。对应的，控制器110的第二运算单元112在设定时间t11内以及时间t12内分别基于频率f11提供对应的控制电压vctrl1。之后处理器120基于控制电压vctrl1生成具有基础频率f12的基础频率信号，并经过内部处理得到对应的两路驱动信号out。
74.进一步地，结合图5所示，为电机200启动并在低转速工作模式下运行情况下控制器110的工作原理示意。控制器110的控制单元113接收到的使能信号的有效边沿到来时电机200处于启动模式并持续设定时间t21，在该设定时间t21内，控制器110的第一运算单元111提供预设的启动频率(包含了频率f21曲线在设定时间t21段对应的频率)，上述启动频率随时间增长而逐渐降低。具体地，预设的启动频率包含设定频率至该目标转速v对应的驱动频率的下限值。以使得电机200通过软启动可以在启动时达到参数变化后的谐振点，在谐振点电机200的峰值功率提升，可以克服最大静摩擦力，并且电机200的极间电容参数恢复至原极间电容参数，从而正常启动。在设定时间t21之后的时间t22内，电机200处于低转速工作模式，控制器110的第一运算单元111基于目标转速v提供驱动频率的上限值f1和下限值f2(指频率f21曲线在时间t22段内的最大值和最小值)。对应的，控制器110的第二运算单元112在设定时间t21内以及时间t22内分别基于频率f21提供对应的控制电压vctrl2。之后处理器120基于控制电压vctrl2生成具有基础频率f22的基础频率信号，并经过内部处理得到对应的两路驱动信号out。
75.另外，电机200在工作模式下由高转速工作模式切换为低转速工作模式，或者由低转速工作模式切换至高转速工作模式时，可以直接通过调速器130设置目标转速v，并通过控制器110和处理器120控制生成对应的驱动信号out实现切换。或者通过关闭电机200之后，在电机200软启动之后进去对应的工作模式即可。
76.电机驱动装置100中的处理器120包括信号发生单元121、分频单元122以及驱动单元123。信号发生单元121与控制器110的第二运算单元112连接并基于控制电压vctrl转换
得到基础频率信号vb1。分频单元122与信号发生单元121连接并将基础频率信号vb1分频处理以输出四路分频信号vb2。驱动单元123与分频单元122连接并根据四路分频信号vb2转换生成两路驱动信号out。进一步地，基础频率信号vb1的基础频率对应为驱动频率或者启动频率的4倍，具体地，基础频率信号vb1的占空比例如为50％。四路分频信号vb2的频率均为基础频率的四分之一，具体地，四路分频信号vb2例如为相位差均为90
°
且占空比均为25％的信号。进一步地，驱动信号out为彼此间具有相位差的两路正弦波信号，以驱动电机200使得产生更大的扭矩。在优选的实施例中，驱动信号out中的两路正弦波信号之间的相位差为90
°
。
77.其中，信号发生单元121例如为独立的信号发生电路，可减小控制器110的资源占用。控制器110例如为单片机。进一步的，信号发生单元121外围电容电阻例如均使用低温漂电容电阻。
78.其中，本技术提供的驱动装置100，其中在启动模式下提供的驱动信号out的启动频率随时间变化而逐渐降低。在高转速工作模式下提供的驱动信号out的驱动频率固定不变。在低转速工作模式下提供的驱动信号out的驱动频率随时间变化而波动。结合图6，以基于高目标转速v提供的控制电压vctrl通过处理器120生成对应的驱动信号out为例详细说明处理器120的工作方式。在高转速工作模式下，信号发生单元121基于控制器110提供的控制电压vctrl得到基础频率信号vb1(基础频率为定值)。进而通过分频单元122将基础频率信号vb1进行四分频以得到4路分频信号，分频信号vb2-a、分频信号vb2-b、分频信号vb2-c、分频信号vb2-d例如为相位相差90
°
且占空比均为25％且频率为基础频率的四分之一的信号。进而通过驱动单元123将4路分频信号vb2转换为2路相位差例如为90
°
的正弦波形的驱动信号out。具体地，分频信号vb2-a、分频信号vb2-b、分频信号vb2-c、分频信号vb2-d分别控制驱动单元123中的四个功率管导通与关断，以驱动驱动单元123中的两个推挽变压器。每个推挽变压器有两组绕组，例如分频信号vb2-a与分频信号vb2-b驱动第一个推挽变压器中的两组绕组，分频信号vb2-c与分频信号vb2-d驱动第二个推挽变压器中的两组绕组，第一推挽变压器输出第一路正弦波信号，第二推挽变压器输出第二路正弦波信号，两路正弦波信号的相位差与分频信号vb2-a和分频信号vb2-c的相位差相同。通过上述方式将四路分频信号转换为两路正弦波信号。
79.图7示出了根据本发明实施例提供的驱动方法的流程示意图。
80.如图7所示，驱动方法包括：
81.步骤s310：在电机的工作模式下根据与目标转速对应的预设电压信号提供与驱动频率对应的控制电压。进一步地，该步骤包括：基于目标转速提供对应的预设电压信号；根据预设电压信号获取对应的驱动频率；以及基于驱动频率提供对应的控制电压，其中，控制电压与频率值正相关。进一步地，目标转速位于低转速区间时，基于目标转速获取得到驱动频率的上限值和下限值，对应提供的控制电压为具有直流分量的交流电压。进一步地，目标转速位于高转速区间时，基于目标转速获取得到驱动频率的固定值，对应提供的控制电压为直流电压。
82.步骤s320：根据控制电压生成对应的驱动信号，进而基于驱动信号驱动电机。该步骤包括：基于控制电压转换得到基础频率信号；将基础频率信号分频处理以输出四路分频信号；以及根据四路分频信号转换生成两路驱动信号。进一步地，基础频率信号的基础频率
对应为驱动频率或者启动频率的4倍，分频信号的频率为基础频率的四分之一。进一步地，驱动信号为彼此间存在相位差为的两路正弦波信号。
83.其中，目标转速位于低转速区间时，对应的驱动频率随时间呈正弦波形变化。其中，目标转速位于高转速区间时，对应的驱动频率为定值。
84.在其他实施例中，还包括：在电机的启动模式下提供控制电压；以及基于控制电压生成对应的驱动信号，进而基于驱动信号在对应的启动频率下软启动所述电机，并在软启动后以目标转速工作。其中，在电机的启动模式下提供控制电压的步骤包括：基于使能信号和预设启动时间提供启动频率；以及基于启动频率提供对应的控制电压，其中，控制电压与频率值正相关。进一步地，还包括：基于使能信号和设定时间判断电机处于启动模块或者工作模式，其中，使能信号的有效边沿到达时电机处于启动模式，启动模式持续设定时间后进入工作模式。
85.本技术提供的超声波电机的驱动装置及驱动方法，通过控制器和处理器基于目标转速提供对应的驱动信号以驱动电机，实现了对电机的调速控制。并且本技术在低转速工作模式下提供随时间变化呈正弦波形波动的驱动频率所对应的驱动信号驱动电机，以使电机的转子启停瞬间缓慢变化，进而抑制电机的转子所产生的噪音。进一步地，电极驱动装置还在电机的启动模式向电机提供随时间变化逐渐降低的启动频率所对应的驱动信号软启动电机，以使电机在启动时达到参数变化后的谐振点，以实现电机正常启动。
86.依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。