一种用于超声电机超高性能指标输出的方法

发电;变电;配电装置的制造技术1.本发明涉及超声电机领域，特别是涉及一种用于超声电机超高性能指标输出的方法。背景技术：2.超声电机具有摩擦驱动、断电自锁、响应速度快、力矩/质量比大、无电磁干扰等特点。超声电机是具有欧拉矢量和谐振等特征的旋转作动器。它由相位正交、空间正交的两相驱动信号作用于圆环形定子，并在定子表面上合成得到一个相对于转子作旋转运动的欧拉矢量，因欧拉矢量使定子与转子表面之间存在相对位移而产生旋转摩檫力，该摩擦力反过来推动转子作与欧拉矢量旋转方向相反的旋转运动，如图1所示。超声电机的系统误差(等于机械误差与电气误差之算术和)越小，那么与之对应的超声电机输出的角位移分辨率、角速度分辨率、动态响应率、速度调节范围、摆动率等性能指标就越高。传统型超声电机停止欧拉矢量输出时刻，缺乏或者忽略了相位与谐振能量残留等概念，因门控信号随机选择驱动信号相位点处关断欧拉矢量，使得定子与转子相互之间定位误差为随机误差而非系统误差，又因残留于超声电机两端得谐振能量再次拓展了系统误差，以至于超声电机优异的输出性能得不到充分的挖掘与展示。技术实现要素：3.基于此，本发明实施例提供一种用于超声电机超高性能指标输出的方法，以使得超声电机输出超高性能指标。4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：5.一种用于超声电机超高性能指标输出的方法，所述方法用于逻辑功能拓扑结构；6.所述逻辑功能拓扑结构包括：d触发器、或门、sin功率拓扑和cos功率拓扑；7.所述或门的输入端用于连接sin零相位信号和cos零相位信号；所述或门的输出端与所述d触发器的时钟端连接；所述d触发器的d端用于连接门控信号；所述d触发器的输出端分别与所述sin功率拓扑以及所述cos功率拓扑连接；所述sin功率拓扑的输入端用于连接sin信号，所述sin功率拓扑的输出端用于向超声电机sin相回路输出sin驱动信号；所述cos功率拓扑的输入端用于连接cos信号，所述cos功率拓扑的输出端用于向超声电机cos相回路输出cos驱动信号；8.所述方法，包括：9.控制所述门控信号作为所述d触发器的d端的输入信号，控制所述sin零相位信号和所述cos零相位信号作为所述或门的输入信号，控制所述或门的输出信号作为所述d触发器的时钟端的时钟信号，以实现零相位关断；处于所述零相位关断时，所述d触发器的输出端的输出信号与超声电机欧拉矢量的四个零相位点上升沿保持同步；10.控制所述d触发器的输出端输出零电平，以使得所述sin功率拓扑和所述cos功率拓扑进入反向输入的虚拟短路状态，以实现虚拟短路关断；处于所述虚拟短路关断时，超声电机sin相回路和超声电机cos相回路中残留的谐振能量以短路形式泄放。11.可选地，所述sin功率拓扑，包括：第一虚拟驱动开关、第一虚拟短路开关和反相器；所述cos功率拓扑，包括：第二虚拟驱动开关和第二虚拟短路开关；12.所述sin信号作为所述第一虚拟驱动开关的输入，所述第一虚拟驱动开关用于连接所述第一虚拟短路开关或所述d触发器的输出端；所述反相器的输入端用于连接所述d触发器的输出端；所述第一虚拟短路开关用于连接所述反相器的输出端或gnd回路；所述第一虚拟驱动开关的输出端还用于向超声电机sin相回路输出sin驱动信号；13.所述cos信号作为所述第二虚拟驱动开关的输入，所述第二虚拟驱动开关用于连接所述第二虚拟短路开关或所述d触发器的输出端；所述第二虚拟短路开关用于连接所述反相器的输出端或gnd回路；所述第二虚拟驱动开关的输出端还用于向超声电机cos相回路输出cos驱动信号；14.在实现零相位关断方面，控制所述门控信号作为所述d触发器的d端的输入信号，控制所述sin零相位信号和所述cos零相位信号作为所述或门的输入信号，控制所述或门的输出信号作为所述d触发器的时钟端的时钟信号，所述d触发器的输出信号驱动互斥的第一虚拟驱动开关、第一虚拟短路开关，以及互斥的第二虚拟驱动开关和第二虚拟短路开关，使得d触发器的输出端的输出信号与超声电机欧拉矢量的四个零相位点上升沿保持同步；15.在实现虚拟短路关断方面，控制所述d触发器的输出端输出零电平，使所述第一虚拟驱动开关与所述第二虚拟驱动开关均处于断开状态，所述反相器输出的高电平使得所述第一虚拟短路开关与所述第二虚拟短路开关均处于开通状态，此时，所述sin功率拓扑和所述cos功率拓扑进入反向输入的虚拟短路状态，超声电机sin相回路中的残留谐振能量由所述sin驱动信号通过所述第一虚拟短路开关对所述gnd回路以虚拟短路形式泄放，超声电机cos相回路中残留的谐振能量由所述cos驱动信号通过所述第二虚拟短路开关对所述gnd回路以虚拟短路形式泄放。16.可选地，所述方法，还包括：17.控制所述d触发器的输出端输出高电平，使所述第一虚拟驱动开关与所述第二虚拟驱动开关均处于开通状态，所述反相器输出为零电平使得所述第一虚拟短路开关与所述第二虚拟短路开关均处于关断状态，此时，所述sin功率拓扑和所述cos功率拓扑进入正向输出状态，所述sin信号经由所述第一虚拟驱动开关向超声电机sin相回路输出sin驱动信号，所述cos信号经由所述第二虚拟驱动开关向超声电机cos相回路输出cos驱动信号。18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：19.本发明实施例提出了一种用于超声电机超高性能指标输出的方法，通过控制门控信号作为d触发器的d端的输入信号，控制sin零相位信号和cos零相位信号作为或门的输入信号，控制或门的输出信号作为d触发器的时钟端的时钟信号，使得d触发器的输出端的输出信号与超声电机欧拉矢量的四个零相位点上升沿保持同步，以达到零相位关断之目的。控制d触发器的输出端输出零电平，使得sin功率拓扑和cos功率拓扑进入反向输入的虚拟短路状态，超声电机sin相回路和超声电机cos相回路中残留的谐振能量以短路形式泄放，以达到虚拟短路关断之目的。本发明可将超声电机挖掘到极致令其输出特性得以充分展现，即超声电机可实现输出亚μrad角位移分辨率、μrad/s角速度分辨率、μs动态响应率、140db速度调节范围、1000hz/s摆动速率等超高性能指标。附图说明20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。21.图1为sin/cos驱动信号与欧拉矢量之间关系的波形图；22.图2为本发明实施例提供的逻辑功能拓扑结构示意图；23.图3为本发明实施例提供的零相位关断、虚拟短路关断的逻辑时序图。具体实施方式24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。25.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。26.定子与转子之间相对静止时，两者之间的相对机械定位误差关系是决定超声电机系统误差的必要条件，机械误差的大小取决于超声电机在停止欧拉矢量瞬间时刻的sin/cos任一相驱动信号相位值，该相位值等于零时机械误差为最小，称为零相位关断。又因谐振能量残留等因素依然会造成定子与转子之间产生相对运动，该相对运动所造成的电气定位误差则是决定超声电机系统误差的充分条件，电气误差的大小取决于超声电机停止欧拉矢量瞬间时刻对残留谐振能量的泄放方式和能力，虚拟短路泄放时电气误差为最小，称为虚拟短路关断。27.本实施例用于超声电机超高性能指标输出的方法，给出了零相位关断和虚拟短路关断等基础方法，该方法也是超声电机实现超高性能指标输出的充分必要条件，该方法可将超声电机挖掘到极致令其输出特性得以充分展现。本实施例提供的方法赋予了超声电机亚μrad角位移分辨率、μrad/s角速度分辨率、μs动态响应率、140db速度调节范围、1000hz/s摆动速率等超高输出性能指标特征。28.本实施例的用于超声电机超高性能指标输出的方法，该方法用于逻辑功能拓扑结构；图2为本发明实施例提供的逻辑功能拓扑结构示意图，图3为本发明实施例提供的零相位关断、虚拟短路关断的逻辑时序图。参见图2，所述逻辑功能拓扑结构包括：d触发器303、或门302、sin功率拓扑和cos功率拓扑。29.所述或门302的输入端用于连接sin零相位信号(sin零相位101)和cos零相位信号(cos零相位201)；所述或门302的输出端与所述d触发器303的时钟端(ck端)连接；所述d触发器303的d端(信号输入端)用于连接门控信号301；门控信号301为随机的门控信号；所述d触发器303的输出端(q端)分别与所述sin功率拓扑以及所述cos功率拓扑连接，ck端上升沿时，同步使能q＝d；所述sin功率拓扑的输入端用于连接sin信号102，所述sin功率拓扑的输出端用于向超声电机sin相回路输出sin驱动信号105；所述cos功率拓扑的输入端用于连接cos信号202，所述cos功率拓扑的输出端用于向超声电机cos相回路输出cos驱动信号205。30.所述方法，包括：31.控制所述门控信号301作为所述d触发器303的d端的输入信号，控制所述sin零相位信号(sin零相位101)和所述cos零相位信号(cos零相位201)作为所述或门302的输入信号，控制所述或门302的输出信号作为所述d触发器303的时钟端的时钟信号，以实现零相位关断；处于所述零相位关断时，所述d触发器303的输出端的输出信号与超声电机欧拉矢量的四个零相位点上升沿保持同步，如图3的d触发器q、sin零相位、cos零相位部分的曲线所示。32.控制所述d触发器303的输出端输出零电平，以使得所述sin功率拓扑和所述cos功率拓扑进入反向输入的虚拟短路状态，以实现虚拟短路关断；处于所述虚拟短路关断时，超声电机sin相回路和超声电机cos相回路中残留的谐振能量以短路形式泄放，如图3的sin零相位+虚拟短路、cos零相位+虚拟短路部分的曲线所示。33.在一个示例中，仍请参见图1，所述sin功率拓扑，包括：第一虚拟驱动开关103、第一虚拟短路开关104和反相器304；所述cos功率拓扑，包括：第二虚拟驱动开关203和第二虚拟短路开关204。34.所述sin信号102作为所述第一虚拟驱动开关103的输入，所述第一虚拟驱动开关103用于连接所述第一虚拟短路开关104或所述d触发器303的输出端；所述反相器304的输入端用于连接所述d触发器303的输出端；所述第一虚拟短路开关104用于连接所述反相器304的输出端或gnd回路305；所述第一虚拟驱动开关103的输出端还用于向超声电机sin相回路输出sin驱动信号105。35.所述cos信号202作为所述第二虚拟驱动开关203的输入，所述第二虚拟驱动开关203用于连接所述第二虚拟短路开关204或所述d触发器303的输出端；所述第二虚拟短路开关204用于连接所述反相器304的输出端或gnd回路305；所述第二虚拟驱动开关203的输出端还用于向超声电机cos相回路输出cos驱动信号205。36.所述方法的具体实现步骤为：37.首先，在实现零相位关断方面，控制所述门控信号301作为所述d触发器303的d端的输入信号，控制所述sin零相位信号(sin零相位101)和所述cos零相位信号(cos零相位201)作为所述或门302的输入信号，控制所述或门302的输出信号作为所述d触发器303的时钟端的时钟信号，所述d触发器303的输出信号驱动互斥的第一虚拟驱动开关103、第一虚拟短路开关104(互斥指一个开关接通，另一个开关断开)，以及互斥的第二虚拟驱动开关203和第二虚拟短路开关204，使得d触发器303的输出端的输出信号与超声电机欧拉矢量的四个零相位点上升沿保持同步，仍请参见图3的d触发器q、sin零相位、cos零相位部分的曲线。38.其次，控制所述d触发器303的输出端输出高电平(q＝1)，使所述第一虚拟驱动开关103与所述第二虚拟驱动开关203均处于开通状态(第一虚拟驱动开关103与超声电机sin相回路接通，第二虚拟驱动开关203与超声电机cos相回路接通)，所述反相器304输出为零电平使得所述第一虚拟短路开关104与所述第二虚拟短路开关204均处于关断状态(第一虚拟短路开关104与gnd回路305断开，第二虚拟短路开关204与gnd回路305断开)，此时，所述sin功率拓扑和所述cos功率拓扑进入正向输出状态，所述sin信号102经由所述第一虚拟驱动开关103向超声电机sin相回路输出sin驱动信号105，所述cos信号202经由所述第二虚拟驱动开关203向超声电机cos相回路输出cos驱动信号205。39.第三，在实现虚拟短路关断方面，控制所述d触发器303的输出端输出零电平(q＝0)，使所述第一虚拟驱动开关103与所述第二虚拟驱动开关203均处于关断状态(第一虚拟驱动开关103与超声电机sin相回路断开，第二虚拟驱动开关203与超声电机cos相回路断开)，所述反相器304输出的高电平使得所述第一虚拟短路开关104与所述第二虚拟短路开关204均处于开通状态(第一虚拟短路开关104与gnd回路305接通，第二虚拟短路开关204与gnd回路305接通)，此时，所述sin功率拓扑和所述cos功率拓扑进入反向输入的虚拟短路状态，超声电机sin相回路中的残留谐振能量由所述sin驱动信号105通过所述第一虚拟短路开关104对所述gnd回路305以虚拟短路形式快速泄放，超声电机cos相回路中残留的谐振能量由所述cos驱动信号205通过所述第二虚拟短路开关204对所述gnd回路305以虚拟短路形式快速泄放，仍请参见图3的sin零相位+虚拟短路、cos零相位+虚拟短路部分的曲线，可以看出，虚拟短路关断的实现，避免了超声电机两端的谐振能量的残留，减小了系统误差，实现了超声电机超高性能指标输出。40.本实施例的方法具有如下优点：41.本发明实施例令随机的门控信号与欧拉矢量四个零相位上升沿保持严格同步，以达到零相位关断之目的。当q＝0时，强制两相sin/cos功率拓扑进入反向输入的虚拟短路状态，使得超声电机回路中残留谐振能量以虚拟短路形式快速泄放，以达到虚拟短路关断之目的。本实施例可将超声电机挖掘到极致令其输出特性得以充分展现，即超声电机可实现输出亚μrad角位移分辨率、μrad/s角速度分辨率、μs动态响应率、140db速度调节范围、1000hz/s摆动速率等超高性能指标。42.由图1和图3可知，利用同步的零相位关断以及虚拟短路关断，令超声电机输出系统误差达到最小，使得超声电机的输出性能指标提升至最佳最优之水平。43.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。44.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。









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