超声驱动仿生飞行器的控制电路设计研究

论文总字数：28560字

摘 要

Abstract ………………………………………………………………………………………Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 超声波电机简介 1

1.2 压电式超声波电机工作原理 2

1.3 超声波电机(USM)发展历史简述 3

1.4 超声波电机的应用前景 6

1.5 本文研究目的 7

第二章 超声波电机的驱动电路方案研究 8

2.1 驱动电路的可行方案 8

2.1.1 方案一 8

2.1.2 方案二 8

2.1.3 方案三 9

2.1.4 方案四 9

2.1.5 方案五 9

2.2 本章小结 10

第三章 信号发生电路的搭建 11

3.1 搭建可行方案二的信号发生电路 11

3.1.1 CD4046与CD4013简介 11

3.1.2 基于CD4046与CD4013的电路设计 12

3.1.3 信号发生电路输出的频率范围测定 15

3.2 搭建可行方案五的信号发生电路 16

3.2.1 AT89C2051简介 16

3.2.2 AT89C2051最小系统 17

3.2.3 PROTEUS搭建信号发生电路 18

3.2.4 AT89C2051片内程序的编写 18

3.2.5在面包板上搭建方案五的信号发生电路 21

3.3 本章小结 26

第四章 功率管驱动电路的搭建 27

4.1 MOS管选择 27

4.2 IR2103简介 27

4.3 功率管驱动电路设计 28

4.4 本章小结 31

第五章 全桥逆变电路的搭建 32

5.1 全桥逆变电路简介 32

5.2 在PROTEUS上仿真全桥逆变电路 32

5.3 在面包板上搭建全桥逆变电路 34

5.4 使用L298N芯片作为功率放大器 42

5.5 本章小结 47

第六章 推挽逆变电路的搭建 48

6.1 推挽逆变电路简介 48

6.2 在PROTEUS中仿真推挽逆变电路 48

6.3本章小结 50

第七章 绘制PCB板 50

第八章 论文总结 51

致 谢 52

参考文献 53

摘 要

超声波电机是一种新型电机，它的工作原理利用定子在超声波频率下的振动通过摩擦力带动转子转动。本文的目的是要设计一个超声波电机驱动电路，驱动电路的要求是产生频率可调的四路相位分别为0度，90度，180度，270度的信号，信号的幅值也需要足够大。

首先需要对超声波电机驱动电路的可行方案进行分析，确定实验方案，本文选择对CD4046和AT89C2051分别构成的信号发生电路进行实验分析，以及选择全桥逆变电路和推挽逆变电路作为功率放大电路进行研究。

然后搭建CD4046与CD4013搭建的信号发生电路，观察电路输出信号的频率范围，幅值范围与相位关系。再研究AT89C2051与LTC1799构成的信号发生电路，同样观察电路输出的频率范围，幅值范围和相位关系。

再利用IR2103搭建MOS管IRF820的驱动电路，观察两片IR2103输出信号的幅值，频率与相位关系。

接着使用PROTEUS软件仿真了全桥逆变电路和推挽逆变电路，观察仿真结果。设计了全桥逆变电路中所需的变压器。使用全桥逆变电路作为功率放大电路搭建了完整的超声波电机驱动电路，在不同的输入频率下观察输出波形。

最后，利用PROTEUS ARES绘制了超声波电机驱动电路的PCB电路板。

关键词：超声波电机，驱动电路，PROTEUS，全桥逆变

Abstract

The ultrasonic motor is a new type of motor. Its working principle utilizes the vibration of the stator at the ultrasonic frequency to drive the rotor to rotate through friction. The purpose of this paper is to design an ultrasonic motor drive circuit. The requirement of the drive circuit is to generate a four-way signal whose frequency is adjustable at 0, 90, 180, and 270 degrees. The amplitude of the signal also needs to be large enough.

First of all, we need to analyze the feasible scheme of the ultrasonic motor drive circuit to determine the experimental scheme. This paper chooses to analyze the signal generation circuit composed of CD4046 and AT89C2051 respectively, and selects the full-bridge inverter circuit and the push-pull inverter circuit as the power amplifier circuit. research.

Then build the signal generation circuit built by CD4046 and CD4013 to observe the frequency range, amplitude range and phase relationship of the output signal of the circuit. Then study the signal generation circuit that AT89C2051 and LTC1799 form, observe the circuit output frequency range, range of amplitude and phase relation too.

Then use IR2103 to build the driving circuit of MOSFET IRF820, observe the amplitude, frequency and phase relationship of two IR2103 output signals.

Then use PROTEUS software to simulate the full-bridge inverter circuit and push-pull inverter circuit, observe the simulation results. The transformer required in the full-bridge inverter circuit was designed. A full-bridge inverter circuit is used as a power amplifier circuit to build a complete ultrasonic motor drive circuit, and the output waveform is observed at different input frequencies.

Finally, the PCB circuit board of the ultrasonic motor drive circuit was drawn using PROTEUS ARES.

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