摘要：传统的电磁式电机是基于电磁感应定律完成能量转换的，它经过百年的发展，在理论、技术、制造工艺与驱动控制等方面都相当成熟，并且在诸多领域均取得广泛应用。然而，由于受其工作原理和内部构造这些不可避免因素的影响，它的体积、质量和电磁干扰等问题阻碍了它进一步的发展。超声波电机，英文名为Ultrasonic motor（后文有时称USM），因为本身无可比拟的优越性，具有体积小、低噪声和无电磁干扰等许多优点，在一些要求较高的场合，如军工、航天、电子设备中可以得到很好的运用。

人耳能听到的声波频段是20Hz~2KHz，若频率高于2KHz，则可称为“超声波”。在逆压电效应下，超声波电机定子的压电陶瓷会出现超声振动，使定子上产生微观形变，而通过定子和转子间的摩擦耦合和共振放大，将定子的不可见形变转换成转子的可见可量化转动。为使超声波电机更好服务于我们的生活，增强它的普及性，本课题主要对一款基于飞思卡尔单片机的低成本、高效率驱动器进行研究。

本文首先简单介绍了超声波电机，包括超声波电机的发展、特点、分类、应用和发展前景。其次介绍行波超声波电机的结构和工作机理。着重描述超声波电机的驱动技术，使用Proteus软件进行超声波电机驱动电路的原理仿真，在Altium designer平台上进行了驱动电路原理图设计和PCB制作。最后采用飞思卡尔的Kinetis系列单片机(MK60DN256)作为主控制器，推挽电路作为逆变电路，输出两路相差90°的正弦波，可达到行波超声波电机的驱动要求；采用增量式PID算法作为行波超声波电机的速度控制方法，实现对超声波电机的速度控制。

关键词：超声波电机；推挽式驱动；PID控制；速度控制

目 录

摘 要

Abstract

第一章 绪  论-1

1.1 超声波电机简介-1

1.1.1 超声波电机的发展-1

1.1.2 超声波电机的分类及特点-2

1.2 超声波电机的应用-3

1.3 本文的研究内容和意义-5

1.3.1 本文研究的内容-5

1.3.2 本文研究的意义-5

第二章 行波型超声波电机的工作原理及驱动控制技术分析-6

2.1 超声波电机的结构简介-6

2.2 超声波电机的工作原理-7

2.3 超声波电机的驱动电路-9

2.3.1 推挽逆变电路-9

2.3.2 半桥逆变电路-9

2.3.3 全桥逆变电路-10

2.4 超声波电机的速度控制方式-11

2.5 超声波电机的速度控制策略-12

2.6 本章小结-14

第三章 超声波电机的驱动控制系统硬件设计-15

3.1 驱动控制系统设计方案-15

3.2 信号发生器的选择-15

3.2.1 主控制器简介-15

3.2.2 单片机的资源-16

3.2.3 单片机的FTM模块-16

3.3 驱动系统的硬件设计-16

3.3.1 分频移相电路设计-16

3.3.2 光电隔离电路设计-18

3.3.3 逆变放大电路设计-19

3.3.4 匹配电路设计-20

3.3.5 系统电源设计-21

3.4 原理图、PCB制作设计-23

3.5 本章小结-25

第四章 超声波电机驱动控制软件设计及实验-26

4.1 软件设计的总体结构-26

4.2 脉冲信号的输出-27

4.2.1 PWM产生原理-27

4.2.2 PWM产生程序-28

4.3 编码器脉冲的捕获-29

4.3.1 转速的确定-29

4.3.2 速度捕获程序-30

4.4 速度控制器的设计-31

4.4.1 PID算法介绍-31

4.4.2 算法程序设计-33

4.5 串口程序的设计-33

4.6 实验结果分析-34

4.7 本章小结-34

第五章 总结和展望-36

5.1 主要的贡献-36

5.2 不足与改进方向-36

参考文献-38

致  谢-39