斜齿型微超声波电动机自振荡驱动电源的设计

舒翀1，王光庆2，郭吉丰1

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

    摘要：基于压电振子为容性负载这一特点，以自振荡驱动为原理设计了一种新型超声波电动机驱动电源，通过其选频功能实现了电机频率的自动跟踪。试验证明，所设计的驱动电源能自动解析出电机工作频率，且具有频率自动跟踪功能，同时还利于超声波电动机驱动电源的小型化和集成化。

    关键词：超声波电动机；频率跟踪；自振荡；驱动电源；小型化

中图分类号：TM35    文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2008)07-0023-03

    0引  言

 

    超声波电动机是近年发展起来的一种新型电机。在定子压电振子上外施高频交流电压激励时，利用压电陶瓷逆压电效应产生的超声振动，将这种振动通过定子和转子间的摩擦耦合来直接驱动转子旋转。然而，驱动超声波电动机，只有当外加交变电场的频率跟压电振子的共振频率一致时才能激发起振子的机械振动。传统的超声波电动机驱动器是通过定时器组成的谐振电路产牛一定工作频率的驱动信号，再经过功放电路加载于电机两端。超声波电动机中压电陶瓷的介电系数、等效电容、漏电阻都会随温度的升高发生变化，这将导致谐振频率随之改变，电机性能下降，使得整个电路需增加额外的频率自动跟踪回路，如华中科技大学利用了窗口比较器、可逆计数器、D／A转换器和压控振荡器实现了频率跟踪[5]。这样使得电路更复杂，限制了超声波电动机小型化及推广应用。

 

    基于自振荡原理的驱动器则是解决这一问题的方法之一。在该电路中，超声波电动机作为其中的一个元件参与频率的产生，当温度变化时，压电振子共振频率漂移时，加在振子的信号频率会自动与之相适应，无需加专门的频率跟踪回路。此电路缩小了电路装置的体积，减轻电路重量，降低制作成本，从而有利于超声波电动机驱动器的小型化和集成化。目前它尤其适用于单相驻波型超声波电动机。

 

1斜齿型微超声波电动机简介

 

    斜齿型微超声波电动机属于弹性叶片类，其结构如图l所示。该电机由固定预载Fc将转子压紧到斜齿的端面，静预紧力随工作中转矩的变化而随时通过加紧螺丝调整。图1为斜齿****振动位移轨迹示意图，当压电陶瓷电极两端通交流电信号，定子表面产生Uy的纵向正弦振动，借助于定子表面的斜齿与转子的相互压紧，诱发定子上的斜齿产生弹性变形，由于斜齿的前伸受到转子面的限制，当斜齿端面与转子表面接触时，其斜齿端面沿转子面移动，斜齿端面质点产生近似的椭圆运动轨迹，若摩擦力足够大，斜齿****将粘在转子的表面，从而实现转子单方向旋转运动υx。斜齿前端的运动轨迹并不是严格的椭圆运动，斜齿前端与转子表面接触期间，接触点的位置近似在转子的平面内的直线上，如图1所示，Fc为静态预压力。

    此斜齿型微型电机尺寸小，传统型的驱动电源尺寸较大，这就需要小型电源与之匹配，且其驱动原理为单相驻波驱动，因此，非常适合采用自振荡原理的驱动电源。

 

2电机驱动电路的设计

 

    实际上，接通电源的瞬间，总会有通电瞬间的电冲击、电干扰、晶体管的热噪声等，尽管这些噪声很微弱，也不是单一频率的正弦波，但却是由许多不同频率的正弦波叠加组合而成的。在不断放大→反馈→选频→放大→反馈→选频的过程中，振荡就可以自行建立起来。

    晶体管是一个非线性元件，只有在线性区才会有放大作用。开始振荡时，信号较小，工作在线性区，A正常值，正反馈，使AF>1；当信号增大到进入非线性区时，输出信号产生削波失真，在信号的一个周期的部分时间内才有放大作用，平均放大量要减小，AF也随之下降，当降到AF=1时，输出和反馈的振幅不再增长，振荡就稳定下来了。可见，稳幅的关键在于晶体管的非线性特性，所以：

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