斜齒型微超聲波電動機自振蕩驅動電源的設計

舒翀1，王光慶2，郭吉豐1

(1.浙江大學，浙江杭州310027；2.浙江工商大學，浙江杭州310018)

    摘要：基于壓電振子為容性負載這一特點，以自振蕩驅動為原理設計了一種新型超聲波電動機驅動電源，通過其選頻功能實現了電機頻率的自動跟蹤。試驗證明，所設計的驅動電源能自動解析出電機工作頻率，且具有頻率自動跟蹤功能，同時還利于超聲波電動機驅動電源的小型化和集成化。

    關鍵詞：超聲波電動機；頻率跟蹤；自振蕩；驅動電源；小型化

中圖分類號：TM35    文獻標識碼：A  文章編號：1004-7018(2008)07-0023-03

    0引  言

 

    超聲波電動機是近年發展起來的一種新型電機。在定子壓電振子上外施高頻交流電壓激勵時，利用壓電陶瓷逆壓電效應產生的超聲振動，將這種振動通過定子和轉子間的摩擦耦合來直接驅動轉子旋轉。然而，驅動超聲波電動機，只有當外加交變電場的頻率跟壓電振子的共振頻率一致時才能激發起振子的機械振動。傳統的超聲波電動機驅動器是通過定時器組成的諧振電路產牛一定工作頻率的驅動信號，再經過功放電路加載于電機兩端。超聲波電動機中壓電陶瓷的介電系數、等效電容、漏電阻都會隨溫度的升高發生變化，這將導致諧振頻率隨之改變，電機性能下降，使得整個電路需增加額外的頻率自動跟蹤回路，如華中科技大學利用了窗口比較器、可逆計數器、D／A轉換器和壓控振蕩器實現了頻率跟蹤[5]。這樣使得電路更復雜，限制了超聲波電動機小型化及推廣應用。

 

    基于自振蕩原理的驅動器則是解決這一問題的方法之一。在該電路中，超聲波電動機作為其中的一個元件參與頻率的產生，當溫度變化時，壓電振子共振頻率漂移時，加在振子的信號頻率會自動與之相適應，無需加專門的頻率跟蹤回路。此電路縮小了電路裝置的體積，減輕電路重量，降低制作成本，從而有利于超聲波電動機驅動器的小型化和集成化。目前它尤其適用于單相駐波型超聲波電動機。

 

1斜齒型微超聲波電動機簡介

 

    斜齒型微超聲波電動機屬于彈性葉片類，其結構如圖l所示。該電機由固定預載Fc將轉子壓緊到斜齒的端面，靜預緊力隨工作中轉矩的變化而隨時通過加緊螺絲調整。圖1為斜齒****振動位移軌跡示意圖，當壓電陶瓷電極兩端通交流電信號，定子表面產生Uy的縱向正弦振動，借助于定子表面的斜齒與轉子的相互壓緊，誘發定子上的斜齒產生彈性變形，由于斜齒的前伸受到轉子面的限制，當斜齒端面與轉子表面接觸時，其斜齒端面沿轉子面移動，斜齒端面質點產生近似的橢圓運動軌跡，若摩擦力足夠大，斜齒****將粘在轉子的表面，從而實現轉子單方向旋轉運動υx。斜齒前端的運動軌跡并不是嚴格的橢圓運動，斜齒前端與轉子表面接觸期間，接觸點的位置近似在轉子的平面內的直線上，如圖1所示，Fc為靜態預壓力。

    此斜齒型微型電機尺寸小，傳統型的驅動電源尺寸較大，這就需要小型電源與之匹配，且其驅動原理為單相駐波驅動，因此，非常適合采用自振蕩原理的驅動電源。

 

2電機驅動電路的設計

 

    實際上，接通電源的瞬間，總會有通電瞬間的電沖擊、電干擾、晶體管的熱噪聲等，盡管這些噪聲很微弱，也不是單一頻率的正弦波，但卻是由許多不同頻率的正弦波疊加組合而成的。在不斷放大→反饋→選頻→放大→反饋→選頻的過程中，振蕩就可以自行建立起來。

    晶體管是一個非線性元件，只有在線性區才會有放大作用。開始振蕩時，信號較小，工作在線性區，A正常值，正反饋，使AF>1；當信號增大到進入非線性區時，輸出信號產生削波失真，在信號的一個周期的部分時間內才有放大作用，平均放大量要減小，AF也隨之下降，當降到AF=1時，輸出和反饋的振幅不再增長，振蕩就穩定下來了。可見，穩幅的關鍵在于晶體管的非線性特性，所以：

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