調頻調幅調相的超聲波電動機控制電路

    史敬灼

(河南科技大學，河南洛陽471003)

    摘要：針對超聲波電動機工業化規模應用的需求，給出了一種可調頻調幅稠相的超聲波電動機低成本驅動控制電路，分析了其結構及工作原理，并進行了實驗驗證，效果良好。

    關鍵詞：超聲波電動機；控制電路；Lc諧振

    中圖分類號：TM35  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)01—0046一04

O引  言

    超聲波電動機是一種新型的運動控制執行元件，具有不同于傳統電機的工作原理與結構^[1,2]。與傳統電機相比，超聲波電動機有結構簡單，不需要線圈，重量輕，驅動部件形狀靈活，無噪聲，無磁場輻射干擾，功率質量比大，微位移直接驅動等諸多優點。這些優點使得超聲波電動機在航空航天、機器人、精密加工設備、醫療儀器、生物工程設備等高端運動控制領域及家用電器、汽車電子等普通運動控制領域都有著廣泛的應用前景^[3,4]。

    目前，超聲波電動機驅動控制電路結構較為復雜^[1-4]，一定程度上限制了其工業化應用。本文提出了一種全功能型的超聲波電動機低成本驅動控制電路，該電路輸出驅動信號的頻率、幅值、相位均可調，可作為一種通用驅動電路應用于不同需求場合。

    下文給出了電路結構，分析了工作原理，并進行了實驗驗證，效果良好。

1調頻調幅調相的超聲波電動機控制電路

    圖1為本文所述超聲波電動機驅動控制電路的基本結構框圖。圖中開關器件(MOSEET)連接為半橋結構，將直流電壓轉換為高頻方波驅動電壓，施加于由串聯匹配電感與超聲波電動機中的容性壓電陶瓷片構成的Lc諧振電路。串聯匹配電感可以有效地濾除方波驅動電壓中的高頻諧波成分，實現近似的正弦波驅動。

   這里，串聯匹配電感值的設計可以有兩種不同的方法。一是以提高超聲波電動機端電壓為目的，設計串聯匹配電感值，使得Lc電路在超聲波電動機工作頻率發生諧振。即電感L取值為：

式中：f為超聲波電動機工作頻率，c為超聲波電動機一相的等效電容。通常超聲波電動機工作頻率都不是一個確定的值，而是在靠近超聲波電動機機械共振頻率的一個小范圍內變化的；用來計算電感值的工作頻率數值，可取為超聲波電動機機械共振頻率值。

    分析Lc諧振電路可知，當Lc電路工作在其諧振頻率時，超聲波電動機(容性)端電壓并非其可能達到的****值；該****值出現在略低于諧振頻率的工作點。為了充分利用Lc諧振的升壓作用提高超聲波電動機端電壓，可以取電感為小于式(1)計算值的某一數值，具體數值取決于電機、電感參數及其分布參數。

    采用上述方法設計串聯匹配電感值，將使得LC電路工作在其諧振狀態附近。超聲波電動機兩相的等效電容不會完全一致；而串聯匹配電感的繞制也存在許多非理想因素，使得實際電感值與計算值(期望值)有差別；工作過程中，電機等效電容和匹配電感的大小也會隨環境因素發生變化。這些原因使得兩相Lc電路的工作狀態不一致，導致超聲波電動機兩相端電壓幅值不一致。同時，Lc電路的作用，使電機端電壓的相位與施加于Lc電路兩端的驅動電壓相位不一致，即存在相移。而兩相Lc電路的工作狀態不一致，在導致超聲波電動機兩相端電壓幅值不一致的同時，也會導致兩相相移不一致，使得電機端實際驅動電壓的相位差與期望值不同。

    幅值偏差，尤其是相位偏差，增加了超聲波電動機控制系統前向通道中的控制非線性，使得控制進一步復雜化。如果是采用手動調節，這些非線性因素也會增加調節難度。

    為了避免上述問題，串聯匹配電感值的設計可以采用另一種方法。分析Lc諧振電路的幅頻、相頻特性可知，在Lc電路諧振頻率附近，其幅值和相移的變化率大。而在偏離諧振頻率較遠的區域，其幅值和相移的變化率要小得多。如果設計串聯匹配電感的取值，使得LC電路工作在偏離其諧振狀態較遠的區域，那么，即使兩相Lc電路的諧振頻率不同、工作狀態不一致，所導致的兩相端電壓幅值、相位偏差也會小得多。通常，這樣的電感值可以通過下式計算得到：