调频调幅调相的超声波电动机控制电路

    史敬灼

(河南科技大学，河南洛阳471003)

    摘要：针对超声波电动机工业化规模应用的需求，给出了一种可调频调幅稠相的超声波电动机低成本驱动控制电路，分析了其结构及工作原理，并进行了实验验证，效果良好。

    关键词：超声波电动机；控制电路；Lc谐振

    中图分类号：TM35  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)01—0046一04

O引  言

    超声波电动机是一种新型的运动控制执行元件，具有不同于传统电机的工作原理与结构^[1,2]。与传统电机相比，超声波电动机有结构简单，不需要线圈，重量轻，驱动部件形状灵活，无噪声，无磁场辐射干扰，功率质量比大，微位移直接驱动等诸多优点。这些优点使得超声波电动机在航空航天、机器人、精密加工设备、医疗仪器、生物工程设备等高端运动控制领域及家用电器、汽车电子等普通运动控制领域都有着广泛的应用前景^[3,4]。

    目前，超声波电动机驱动控制电路结构较为复杂^[1-4]，一定程度上限制了其工业化应用。本文提出了一种全功能型的超声波电动机低成本驱动控制电路，该电路输出驱动信号的频率、幅值、相位均可调，可作为一种通用驱动电路应用于不同需求场合。

    下文给出了电路结构，分析了工作原理，并进行了实验验证，效果良好。

1调频调幅调相的超声波电动机控制电路

    图1为本文所述超声波电动机驱动控制电路的基本结构框图。图中开关器件(MOSEET)连接为半桥结构，将直流电压转换为高频方波驱动电压，施加于由串联匹配电感与超声波电动机中的容性压电陶瓷片构成的Lc谐振电路。串联匹配电感可以有效地滤除方波驱动电压中的高频谐波成分，实现近似的正弦波驱动。

   这里，串联匹配电感值的设计可以有两种不同的方法。一是以提高超声波电动机端电压为目的，设计串联匹配电感值，使得Lc电路在超声波电动机工作频率发生谐振。即电感L取值为：

式中：f为超声波电动机工作频率，c为超声波电动机一相的等效电容。通常超声波电动机工作频率都不是一个确定的值，而是在靠近超声波电动机机械共振频率的一个小范围内变化的；用来计算电感值的工作频率数值，可取为超声波电动机机械共振频率值。

    分析Lc谐振电路可知，当Lc电路工作在其谐振频率时，超声波电动机(容性)端电压并非其可能达到的****值；该****值出现在略低于谐振频率的工作点。为了充分利用Lc谐振的升压作用提高超声波电动机端电压，可以取电感为小于式(1)计算值的某一数值，具体数值取决于电机、电感参数及其分布参数。

    采用上述方法设计串联匹配电感值，将使得LC电路工作在其谐振状态附近。超声波电动机两相的等效电容不会完全一致；而串联匹配电感的绕制也存在许多非理想因素，使得实际电感值与计算值(期望值)有差别；工作过程中，电机等效电容和匹配电感的大小也会随环境因素发生变化。这些原因使得两相Lc电路的工作状态不一致，导致超声波电动机两相端电压幅值不一致。同时，Lc电路的作用，使电机端电压的相位与施加于Lc电路两端的驱动电压相位不一致，即存在相移。而两相Lc电路的工作状态不一致，在导致超声波电动机两相端电压幅值不一致的同时，也会导致两相相移不一致，使得电机端实际驱动电压的相位差与期望值不同。

    幅值偏差，尤其是相位偏差，增加了超声波电动机控制系统前向通道中的控制非线性，使得控制进一步复杂化。如果是采用手动调节，这些非线性因素也会增加调节难度。

    为了避免上述问题，串联匹配电感值的设计可以采用另一种方法。分析Lc谐振电路的幅频、相频特性可知，在Lc电路谐振频率附近，其幅值和相移的变化率大。而在偏离谐振频率较远的区域，其幅值和相移的变化率要小得多。如果设计串联匹配电感的取值，使得LC电路工作在偏离其谐振状态较远的区域，那么，即使两相Lc电路的谐振频率不同、工作状态不一致，所导致的两相端电压幅值、相位偏差也会小得多。通常，这样的电感值可以通过下式计算得到：