超声波电动机驱动技术

  郑诂俊，杨明

(上海交通大学，上海200240)

    摘要：详细讨论了不同超声波电动机驱动技术的特点和研究热点问题，对超声波电动机驱动技术的发展前景进行了预测和展望。这些有关驱动技术的讨论和分析对超声波电动机的进一步发展有帮助作用。

    关键词：超声波电动机驱动；逆变电路；直接频率合成技术；压电变压器；恒流源

    中盈分类号：TM35  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)08—0056—04

0引  言

    超声波电动机是利用压电材料的逆压电特性，激发电机定子的机械振动，通过定转子之间的摩擦力，将电能转换为机械能输出，驱动转子的定向运动^[1]。与传统电机相比，它具有体积小、低速大转矩、反应速度快、不受磁场影响、保持力矩大等优点，成为近年来国内外在微型电机方面的研究热点。

    与电磁式电机相比，超声波电动机有两个不同点。一是超声波电动机必须工作在超声频域，根据各种电机不同的结构形式，要求驱动器能够输出频率在20～100kHz的高频电压。二是由于压电材料具有容性负载的特点，不同于传统电机的感性或阻性负载，为了提高驱动电路效率，实现能量的高效转换，使换能器获得足够的功率，在驱动电源和换能器之间必须增加匹配电路。因此，传统电磁式电机的驱动电源对超声波电动机并不适用，必须为其设计专用驱动。

1驱动电路的构成

    图1是常见的超声波电动机驱动电路系统框图，它由四部分组成：信号发生电路、分频相移电路、功放电路和变压器^[2-3]。信号发生电路通常产生频率可调的超声频率方波信号，经过分频相移电路产生相位差为90^。的两相信号，作为功放电路的控制信号。功放电路完成功率放大和负载匹配两个功能，即功率放大将控制信号放大；负载匹配则利用变压器和在换能器输入端接人的电感来实现，可以提高驱动电路和换能器间的能量传输效率，使换能器获得足够的功率，同时，匹配电路也可用来滤波，将方波转换为正弦波，减少高频谐波。外接的变压器则进一步升压，使超声波电动机能正常工作。

2驱动技术的分类

    超声波电动机经过二十多年的发展，其驱动技术也有了很大的发展。超声波电动机驱动技术的种类较多，可以按照以下的几种方式分类。

2．1根据发生信号的类型分类

    目前信号发生器产生的信号主要有方波和正弦波信号。

    方波信号不仅产生简便，更重要的是由于超声波电动机的功放电路中使用最普遍的是开关逆变型驱动电路^[4]，这一开关特性，决定了驱动系统只需方波信号即可。

    开关逆变型驱动电路体积小、重量轻、效率高，

    尽管利用方波作为前级开关控制的逆变驱动电路简单实用，但也存在的以下缺点。

    (1)由于驱动电路输出的正弦波是由匹配电路滤波获得的，而不同的超声波电动机工作频率范围很大，任一滤波电路都不能满足所有的滤波需求。因此采用开关逆变型驱动电路的通用性较低。

    (2)超声波电动机的速度控制可由调频、词相和调幅实现。虽然方波可以很方便地实现调频和调相，但是很难调幅。即使利用脉宽调制技术改变占空比调整幅度，输出电压幅值和占空比不成现行线性关系，控制精度底，仍然很难满足超声波电动机快速准确的速度控制。

    (3)由于方波含有较多的谐波分量干扰，不利于对电机运行的精确分析，并易使超声波电动机发热，改变谐振频率。

    因此如能使用正弦信号直接线性放大，作为通用驱动电路，满足各类超声波电动机的驱动要求有很大的意义。

    直接数字频率合成(DDS)^[6-7]技术是一种从相位概念出发直接合成所需的波形的频率合成技术，可以容易地产生频率、相位、幅度都可调的正弦信。

    DDs利用采样定理，通过查表法产生波形。图2是DDs的基本电路原理。相位累加器的输出是合成信号的相位，采用查表法取出存于数表中的数字波形，经数模转换器D／A，形成模拟量波形。D／A输出的阶梯形波形