超聲波電動機驅動技術

  鄭詁俊，楊明

(上海交通大學，上海200240)

    摘要：詳細討論了不同超聲波電動機驅動技術的特點和研究熱點問題，對超聲波電動機驅動技術的發展前景進行了預測和展望。這些有關驅動技術的討論和分析對超聲波電動機的進一步發展有幫助作用。

    關鍵詞：超聲波電動機驅動；逆變電路；直接頻率合成技術；壓電變壓器；恒流源

    中盈分類號：TM35  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)08—0056—04

0引  言

    超聲波電動機是利用壓電材料的逆壓電特性，激發電機定子的機械振動，通過定轉子之間的摩擦力，將電能轉換為機械能輸出，驅動轉子的定向運動^[1]。與傳統電機相比，它具有體積小、低速大轉矩、反應速度快、不受磁場影響、保持力矩大等優點，成為近年來國內外在微型電機方面的研究熱點。

    與電磁式電機相比，超聲波電動機有兩個不同點。一是超聲波電動機必須工作在超聲頻域，根據各種電機不同的結構形式，要求驅動器能夠輸出頻率在20～100kHz的高頻電壓。二是由于壓電材料具有容性負載的特點，不同于傳統電機的感性或阻性負載，為了提高驅動電路效率，實現能量的高效轉換，使換能器獲得足夠的功率，在驅動電源和換能器之間必須增加匹配電路。因此，傳統電磁式電機的驅動電源對超聲波電動機并不適用，必須為其設計專用驅動。

1驅動電路的構成

    圖1是常見的超聲波電動機驅動電路系統框圖，它由四部分組成：信號發生電路、分頻相移電路、功放電路和變壓器^[2-3]。信號發生電路通常產生頻率可調的超聲頻率方波信號，經過分頻相移電路產生相位差為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載匹配兩個功能，即功率放大將控制信號放大；負載匹配則利用變壓器和在換能器輸入端接人的電感來實現，可以提高驅動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，匹配電路也可用來濾波，將方波轉換為正弦波，減少高頻諧波。外接的變壓器則進一步升壓，使超聲波電動機能正常工作。

2驅動技術的分類

    超聲波電動機經過二十多年的發展，其驅動技術也有了很大的發展。超聲波電動機驅動技術的種類較多，可以按照以下的幾種方式分類。

2．1根據發生信號的類型分類

    目前信號發生器產生的信號主要有方波和正弦波信號。

    方波信號不僅產生簡便，更重要的是由于超聲波電動機的功放電路中使用最普遍的是開關逆變型驅動電路^[4]，這一開關特性，決定了驅動系統只需方波信號即可。

    開關逆變型驅動電路體積小、重量輕、效率高，

    盡管利用方波作為前級開關控制的逆變驅動電路簡單實用，但也存在的以下缺點。

    (1)由于驅動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機工作頻率范圍很大，任一濾波電路都不能滿足所有的濾波需求。因此采用開關逆變型驅動電路的通用性較低。

    (2)超聲波電動機的速度控制可由調頻、詞相和調幅實現。雖然方波可以很方便地實現調頻和調相，但是很難調幅。即使利用脈寬調制技術改變占空比調整幅度，輸出電壓幅值和占空比不成現行線性關系，控制精度底，仍然很難滿足超聲波電動機快速準確的速度控制。

    (3)由于方波含有較多的諧波分量干擾，不利于對電機運行的精確分析，并易使超聲波電動機發熱，改變諧振頻率。

    因此如能使用正弦信號直接線性放大，作為通用驅動電路，滿足各類超聲波電動機的驅動要求有很大的意義。

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

    DDs利用采樣定理，通過查表法產生波形。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表中的數字波形，經數模轉換器D／A，形成模擬量波形。D／A輸出的階梯形波形