[发明专利]用于超声电机的无线驱动系统

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种超声电机技术领域的系统，具体是一种用于超声电机的无线驱动系统。

背景技术

超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将材料的微观变形转换为转子(动子)宏观运动的新型驱动器。与传统电磁式电机相比，超声电机中的压电陶瓷片取代了电磁电机中成千上万圈的铜线，具有结构简单、紧凑、扭矩/重量比大、响应快、断电自锁、不产生磁场，亦不受外界磁场干扰、功率密度大(是电磁型的3-10倍)、运动准确等特点。因此，超声电机的体积可以做得比较小，而与之相对的是，其驱动电路的体积可能比较庞大，且难以缩小尺寸，限制了超声电机在某些领域，特别是生物医学工程等领域的进一步应用。在生物医学工程领域，往往希望利用超声电机结构紧凑，体积小的特点，这就需要将超声电机及其驱动电路相隔离，进而启发研究者们进行超声电机无线驱动技术的研究。

无线驱动系统与超声电机配合使用，由于电源部分和负载部分相互分离，屏蔽了复杂连线，同时利用超声电机本身的优良特性，适用于定位精度要求很高的微创手术机器人，吞服式药物投放注射机器人、植入式人工脏器等生物医学工程应用，也适用于多自由度航空机械臂等对灵敏度和精确度要求很高的其它应用。

该项技术尚处于起步阶段，从查询文献的结果来看，还没有相关的专利和论文发表，仅一篇较为接近的，生体医工学(日本)，vol.43，no.4，2005，677-684，A Direct-drive Artificial Heart System Using an Ultrasonic Motor，日本的《医学与生物工程学》杂志上发表的《使用超声电机的直接驱动式人工心脏系统》(2005年第43卷第4期第677-684页)文中提到了使用线圈非接触传递能量的方式驱动超声电机，其中线圈以锁扣的拓扑方式无接触地传导磁场能量，虽然能量传递效率非常高，但并未做到发射侧线圈和接收侧线圈的完全分离。Japanese Journal of Applied Physics，vol.47，no.5，2008，4226-4230，Wireless Energy Transmission to Piezoelectric Components，《日本应用物理学报》上发表的《对压电器件进行无线供电》(2008年第47卷第5期第4226-4230页)提到一种针对一般压电器件的无线能量传输方式，即在能量传输侧由逆压电效应产生机械谐振，在能量接收侧由机械谐振引发压电效应，获得电能，传输的能量很小(mW级)，且距离很近(mm级)，暂不具备实用价值。且该无线能量传输方式虽适合普通压电器件，但并未针对超声电机专门设计，不适用于超声电机。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于超声电机的无线驱动系统，避免了公知的超声电机有线驱动系统连线复杂，驱动电路体积庞大等问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：控制模块、频率发生模块、隔离模块、功放滤波模块、无线能量传输模块、超声电机、数据采集发送模块和数据接收模块，其中：控制模块的信号输出端连接到频率发生模块的信号输入端，频率发生模块的信号输出端连接到隔离模块的信号输入端，隔离模块的信号输出端连接到功放滤波模块的信号输入端，功放滤波模块的信号输出端连接到无线能量传输模块的输入端，无线能量传输模块的输出端连接到超声电机，超声电机的输出连接到数据采集发送模块，数据接收模块的信号输出端连接到控制模块的信号输入端。

控制模块发送控制指令给频率发生模块，由其产生符合超声电机工作频率匹配要求的方波信号，频率发生模块经过隔离模块实现信号的输入和输出电气隔离，确保频率发生块不会受到后面功放滤波模块的冲击而损坏。隔离模块的输出信号进入功放滤波模块进行功率放大，使得输出信号的电压和电流都符合要求，信号进行功率放大的同时，通过保护电路进行短路、过流保护。超声电机的工作状态信息被数据采集发送模块的传感器采集，初步处理后进行无线发送，数据接收模块接收到状态信息后将其传递给控制模块；

所述的控制模块为嵌入式系统结构，用于预设初始值以及手动调节系统工作状态，借助于数据接收模块，分析处理超声电机的工作参数，并据此自动调节超声电机的工作状态。控制模块可通过计算机烧写程序后自动执行；也可以添加人机交互接口，通过键盘手动控制，通过显示器读取参数值。

所述的频率发生模块根据输入端接收到的来自控制模块发送的控制指令输出与超声电机工作频率相匹配的方波信号。