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温度传感器在超声电机驱动及控制电路中的应用

摘  要: 介绍半导体温度传感器在超声电机驱动及控制电路中的应用。通过温度传感器采集超声电机工作时的壳体温度，相应调整驱动信号的频率，使得超声电机始终处于最佳的工作频率下，有利于提高超声电机工作的稳定性和可靠性。
关键词: 温度传感器；超声电机；驱动电路

设计思想

　　超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应的新型电机。与一般电磁电机相比，超声电机具有输出低转速大力矩，瞬态响应快(可达ms量级)，定位精度高(可达nm量级)的特点，非常适合取代传统的伺服及步进电机，已广泛应用于照相机及摄像机的自动调焦系统，在精密仪器以及航空航天领域也有许多应用。

　　超声电机的稳定工作需要电路能够很好的跟踪压电元件的共振频率。由于压电陶瓷的共振频率会随温度发生变化，传统的驱动电路在工作一段时间后需要人工调整信号发生器的频率。使用温度传感器实时测量压电元件的温度，通过预存的频率—温度数据表对信号发生芯片的频率进行修正，可以极大地提高超声电机与其驱动电路的稳定性，系统组成框图如图1所示。

系统工作原理

　　DDS(直接数字合成)信号发生单元产生两路正弦信号；经光耦隔离的两路正弦波信号分别经由高压运放放大至250Vpp输出驱动超声电机；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采集送至主控单片机处理；单片机直接根据预存的温度－频率表修正DDS的信号发生频率，或者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的驱动频率控制字传回单片机。

　　在系统中温度的测试是通过美国国家半导体公司(NS)的LM74温度传感器实现的。该款温度传感器采用SO-8封装，可直接将温度传感器贴在电机机壳上。该温度传感器的分辨率为0.0625℃，而且由于是直接将温度由A/D量化后通过SPI总线进行传输，因而不受一般外接导线电阻以及电路布线、干扰的影响。
系统电路原理如图2所示。

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实验测试结果

　　根据对日本新生公司USR30型超声电机的初步驱动测试，在设计的电路中将电机的共振频率随温度的变化规律简化后描述为：
●  0℃时系统的共振频率为50kHz；
●  工作温度在0~30℃时，温度每升高1℃，系统的共振频率下降约10Hz；
●  工作温度在31~50℃时，温度每升高1℃，系统的共振频率下降约20Hz；
●  工作温度在51~69℃时，温度每升高1℃，系统的共振频率下降约15Hz。

　　实测的电路输出信号频率随温度的变化如图3，频率测试使用8位显示精度的频率计，温度值由LM74测出经单片机处理后通过RS232串口送PC机显示。