超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

  鄭詁俊，楊明

(上海交通大學(xué)，上海200240)

    摘要：詳細(xì)討論了不同超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和研究熱點(diǎn)問題，對超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)測和展望。這些有關(guān)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的討論和分析對超聲波電動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展有幫助作用。

    關(guān)鍵詞：超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；逆變電路；直接頻率合成技術(shù)；壓電變壓器；恒流源

    中盈分類號：TM35  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號：1004—7018(2008)08—0056—04

0引  言

    超聲波電動(dòng)機(jī)是利用壓電材料的逆壓電特性，激發(fā)電機(jī)定子的機(jī)械振動(dòng)，通過定轉(zhuǎn)子之間的摩擦力，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的定向運(yùn)動(dòng)^[1]。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，它具有體積小、低速大轉(zhuǎn)矩、反應(yīng)速度快、不受磁場影響、保持力矩大等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來國內(nèi)外在微型電機(jī)方面的研究熱點(diǎn)。

    與電磁式電機(jī)相比，超聲波電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)不同點(diǎn)。一是超聲波電動(dòng)機(jī)必須工作在超聲頻域，根據(jù)各種電機(jī)不同的結(jié)構(gòu)形式，要求驅(qū)動(dòng)器能夠輸出頻率在20～100kHz的高頻電壓。二是由于壓電材料具有容性負(fù)載的特點(diǎn)，不同于傳統(tǒng)電機(jī)的感性或阻性負(fù)載，為了提高驅(qū)動(dòng)電路效率，實(shí)現(xiàn)能量的高效轉(zhuǎn)換，使換能器獲得足夠的功率，在驅(qū)動(dòng)電源和換能器之間必須增加匹配電路。因此，傳統(tǒng)電磁式電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源對超聲波電動(dòng)機(jī)并不適用，必須為其設(shè)計(jì)專用驅(qū)動(dòng)。

1驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)成

    圖1是常見的超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)框圖，它由四部分組成：信號發(fā)生電路、分頻相移電路、功放電路和變壓器^[2-3]。信號發(fā)生電路通常產(chǎn)生頻率可調(diào)的超聲頻率方波信號，經(jīng)過分頻相移電路產(chǎn)生相位差為90^。的兩相信號，作為功放電路的控制信號。功放電路完成功率放大和負(fù)載匹配兩個(gè)功能，即功率放大將控制信號放大；負(fù)載匹配則利用變壓器和在換能器輸入端接人的電感來實(shí)現(xiàn)，可以提高驅(qū)動(dòng)電路和換能器間的能量傳輸效率，使換能器獲得足夠的功率，同時(shí)，匹配電路也可用來濾波，將方波轉(zhuǎn)換為正弦波，減少高頻諧波。外接的變壓器則進(jìn)一步升壓，使超聲波電動(dòng)機(jī)能正常工作。

2驅(qū)動(dòng)技術(shù)的分類

    超聲波電動(dòng)機(jī)經(jīng)過二十多年的發(fā)展，其驅(qū)動(dòng)技術(shù)也有了很大的發(fā)展。超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的種類較多，可以按照以下的幾種方式分類。

2．1根據(jù)發(fā)生信號的類型分類

    目前信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號主要有方波和正弦波信號。

    方波信號不僅產(chǎn)生簡便，更重要的是由于超聲波電動(dòng)機(jī)的功放電路中使用最普遍的是開關(guān)逆變型驅(qū)動(dòng)電路^[4]，這一開關(guān)特性，決定了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)只需方波信號即可。

    開關(guān)逆變型驅(qū)動(dòng)電路體積小、重量輕、效率高，

    盡管利用方波作為前級開關(guān)控制的逆變驅(qū)動(dòng)電路簡單實(shí)用，但也存在的以下缺點(diǎn)。

    (1)由于驅(qū)動(dòng)電路輸出的正弦波是由匹配電路濾波獲得的，而不同的超聲波電動(dòng)機(jī)工作頻率范圍很大，任一濾波電路都不能滿足所有的濾波需求。因此采用開關(guān)逆變型驅(qū)動(dòng)電路的通用性較低。

    (2)超聲波電動(dòng)機(jī)的速度控制可由調(diào)頻、詞相和調(diào)幅實(shí)現(xiàn)。雖然方波可以很方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)頻和調(diào)相，但是很難調(diào)幅。即使利用脈寬調(diào)制技術(shù)改變占空比調(diào)整幅度，輸出電壓幅值和占空比不成現(xiàn)行線性關(guān)系，控制精度底，仍然很難滿足超聲波電動(dòng)機(jī)快速準(zhǔn)確的速度控制。

    (3)由于方波含有較多的諧波分量干擾，不利于對電機(jī)運(yùn)行的精確分析，并易使超聲波電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，改變諧振頻率。

    因此如能使用正弦信號直接線性放大，作為通用驅(qū)動(dòng)電路，滿足各類超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求有很大的意義。

    直接數(shù)字頻率合成(DDS)^[6-7]技術(shù)是一種從相位概念出發(fā)直接合成所需的波形的頻率合成技術(shù)，可以容易地產(chǎn)生頻率、相位、幅度都可調(diào)的正弦信。

    DDs利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形。圖2是DDs的基本電路原理。相位累加器的輸出是合成信號的相位，采用查表法取出存于數(shù)表中的數(shù)字波形，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器D／A，形成模擬量波形。D／A輸出的階梯形波形