何巍，楊明，李世陽(上海交通大學，上海200240)

  摘要：傳統的超聲波電動機由于升壓變壓器的存在，驅動系統通用性差。介紹一種簡單、寬頻帶、高性能超聲驅動系統，該系統使用數字鎖相技術實現移相，通過高性能運放將信號放大到峰峰值150 V，能夠很好地驅動超聲波電動機，

  關鍵詞：超聲波電動機；數字鎖相環；移相電路

  中圖分類號：TM35  文獻標識碼：A  文章編號：1004 -7018( 2008) 09 - 0049 -03

O引  言

    超聲波電動機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，近年來成為在微型電機方面的研究熱點：

    根據超聲波電動機的運動機理，對超聲波電動機驅動電源有比較嚴格的要求。一是要求驅動電源能夠輸出頻率在20 -200 kHz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，為了提高驅動電源效率，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．驅動電源的性能在一定程度上決定了超聲波電動機的性能。

    目前常用的驅動電路是利用開關技術，由逆變器電路實現電壓升壓、能量傳遞、阻抗匹配和電源隔離，但是這種方法存在著通用性差的缺點。驅動超聲波電動機需要一個較高的工作電壓，通常是通過用升壓變壓器與超聲波電動機進行阻抗配來實現：而升壓變壓器和超聲波電動機容性阻抗構成一個濾波電路，每一臺超聲波電動機都需要一個特定的升壓變壓器進行阻抗匹配。

    因此設計高性能、通用的驅動電路，使之作為各種類型的超聲波電動機的驅動，并在此基礎上研究一種行之有效的測量、控制技術，實現超聲波電動機準確、穩定的工作，具有很大的現實意義[2]。

    由超聲波電動機的工作機理可知，大部分超聲波電動機的運行需要相關的驅動控制電路提供兩路頻率相同、相位差為90度，頻率為20 - 200 kHz、輸出信號峰峰值為100 - 350 V、功率為幾十瓦的交變信號。

    本文的超聲波電動機驅動及控制電路主要由以下三個部分組成：信號發生器、90度移相電路、信號功率放大電路，如圖1所示．

 

以下分別對上述部分分別進行介紹。

    由于超聲波電動機白身就可以看作一個電容，具有濾波作用，所以只需要兩路相差90度的方波信號即可滿足要求。本文采用數字鎖相技術實現90度移相。原理框圖如圖2所示，電路圖如圖3所示。

 

     在基本的鎖相環( PLL)上附加少量的電路就可以獲得非常精確的90度相移，圖3附加了一個精密相乘器與積分器的串接電路，并將它與環路的鑒相器、環路濾波器相并聯。如果輸入信號是對稱的，那么只有在u₁和u₂嚴格相差90度時，相乘器平均輸出電壓才為零，附加電路對基本PLL沒有影響。只要u₁和u₂不是嚴格相差90度，相乘器輸出中含有直流成分，積分器對直流信號的增益為無限大，這時附加電路的輸出就成為壓控振蕩器(vco)控制電壓的主要成分，它迫使vco移相，直至u₁和u₂嚴格相移90度為止。鎖相環4046輸出信號是方波，很容易利用開關電路完成精密相乘器的作用【3】。由于4046鎖相器中心頻率存在一定范圍，所以必須通過電阻R₁、R₂、C₁（如圖3所示）進行調節中心頻率和下限頻率，使其滿足超聲波電動機工作范圍，如圖4、5所示。

    根據圖4和圖5，選擇不同的C₁、R₁、R₂，可以滿足超聲波電動機工作頻率范圍。鎖相環4046供電電壓VDD= 15 V，當分別選取C₁=240 pF， R₁=100 kΩ，R₂=1 MΩ，下限頻率大約為20 kHz。當C₁=240 pF；R₁．=1 M，R₂=無窮時，中心