一种具有频率跟踪功能的超声波电机驱动器

    周维，徐志科，金龙

    (东南大学，江苏南京201196)

    摘要：介绍了一种具有频率跟踪功能的超声波电机驱动器。因各种原因，超声波电机在运行过程中会发生谐振频率漂移现象，进而导致电机转速下降、效率降低。电压电流的相位差即阻抗角特性反映了电机定子的谐振特性，通过不断调整控制器驱动信号频率，保持电机一相驱动电压与电流的相位差恒定不变，使电机始终运行在较佳频率点，提高电机的输出效率。该驱动器改变电路中比较器初始相位差设定值，电路可以跟踪相位差变化实现对超声波电机的稳速控制功能。

    关键词：超声波电机；锁相环；频率跟踪：驱动器

O引言

    超声波电机是一种全新概念的驱动微电机，与传统的电磁电机依靠电磁介质来传递能量不同，超声波电机不含磁极和绕组，它是通过在压电陶瓷上施加高频交流电压利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，再通过振动体和移动体之间的摩擦耦合，将压电振子的微观振动变换成转子宏观上的旋转或者直线运动，实现能量的转换。超声波电机作为一种直接驱动电机从20世纪80年代以来备受各国科研工作者的青睐，已成为当前机电控制领域的一个研究热点。

    但是电机运行时，定、转子之间的摩擦运动会产生大量热量，从而使其温度显著上升。温度的上升会使其谐振频率发生漂移，转速发生明显变化，转换效率降低。此外，由于负载的变化会引起电机参数的变化，进而也会导致其谐振频率漂移。本驱动器通过锁相环的频率跟踪功能，通过不断调整控制器驱动信号频率，使电机较稳定地运转在较佳工作状态。

1频率跟踪原理

超声波电机运行时，由于温度特性等因素的影响，电机定子的谐振特性曲线会发生漂移，导致电机转速下降，效率降低。此外，由于负载的变化会引起电机参数的变化，进而也会导致其谐振频率漂移。

 

 

    图1所示为超声波电机通常工作区域的阻抗相频特性曲线，φ为电压电流相位差，f表示电机驱动率。假设电机原来工作在Q点，电压电流相位差为φ，对应的驱动频率为而，由于温度特性等因素的影响，电机定子的谐振特性曲线会发生漂移，且有较好的平移性，虚线和实线分别表示温度为乃和n时的特性曲线，T₁>T₀。如果驱动频率不变，电机工作点将转移至Q₁点，电压电流相位差增大至φ电机转速下降。如果设法保持工作点不变，即φ=φ_ref，此时电机速度会基本保持不变，电机回到原来工作点。所以可以通过采集和处理电机运行时电压电流相位差信号，不断调整控制器驱动信号频率，维持相位差不变，使电机始终运行在较佳频率点。

2驱动器工作原理

 

 

2 1 PWM波生成电路

    锁相环cD4046内部的压控振荡器产生高频脉冲信号，作为双向移位寄存器74Lsl94的时钟信号，通过初始计数初值设置利用其移位功能产生四路PwM波信号，作为全桥逆变电路的开关信号，移位寄存器左移右移功能可以实现对电机的正反转控制。

2 2超声波电机驱动电路

    电路采用直流供电，因此需要逆变升压电路。移位寄存器产生的PwM波信号，送入全桥逆变电路。全桥逆变电路想通过先通过L298将5v直流电压转换为12v直流电压，然后将其转化成两相相差90。的高频交流信号，驱动电机运行。

2 3电压电流采样电路

    超声波电机使用两相驱动，采用简单的分压电路和比较器列电机任一相的电压电流信号进行采样，采样电路如图4所示。在一相变压器的输出端并联两个分压电阻，由图3中电阻R₉分压得电压采样信号，纯电阻网络采样信号和变压器输出信号同相。将电流信号采样电阻R₁₀采用外分接法与电机一相串联，此时采样电阻R₈和R₉要尽量大，以减小分流。

2 4锁相环cD4046基本原理

 

 

电压电流信号经采样后为正弦波信号，故需经过过零比较后转换成两路方波信号。方波的幅值反映了电压和电流相位差。两列方波再通过cD4046鉴相器PD鉴相输出为电压和电流相位差的信号UD，信号经外接低通滤波电路LF滤波成反映相位差变化的直