何巍，杨明，李世阳(上海交通大学，上海200240)

  摘要：传统的超声波电动机由于升压变压器的存在，驱动系统通用性差。介绍一种简单、宽频带、高性能超声驱动系统，该系统使用数字锁相技术实现移相，通过高性能运放将信号放大到峰峰值150 V，能够很好地驱动超声波电动机，

  关键词：超声波电动机；数字锁相环；移相电路

  中图分类号：TM35  文献标识码：A  文章编号：1004 -7018( 2008) 09 - 0049 -03

O引  言

    超声波电动机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，近年来成为在微型电机方面的研究热点：

    根据超声波电动机的运动机理，对超声波电动机驱动电源有比较严格的要求。一是要求驱动电源能够输出频率在20 -200 kHz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，为了提高驱动电源效率，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．驱动电源的性能在一定程度上决定了超声波电动机的性能。

    目前常用的驱动电路是利用开关技术，由逆变器电路实现电压升压、能量传递、阻抗匹配和电源隔离，但是这种方法存在着通用性差的缺点。驱动超声波电动机需要一个较高的工作电压，通常是通过用升压变压器与超声波电动机进行阻抗配来实现：而升压变压器和超声波电动机容性阻抗构成一个滤波电路，每一台超声波电动机都需要一个特定的升压变压器进行阻抗匹配。

    因此设计高性能、通用的驱动电路，使之作为各种类型的超声波电动机的驱动，并在此基础上研究一种行之有效的测量、控制技术，实现超声波电动机准确、稳定的工作，具有很大的现实意义[2]。

    由超声波电动机的工作机理可知，大部分超声波电动机的运行需要相关的驱动控制电路提供两路频率相同、相位差为90度，频率为20 - 200 kHz、输出信号峰峰值为100 - 350 V、功率为几十瓦的交变信号。

    本文的超声波电动机驱动及控制电路主要由以下三个部分组成：信号发生器、90度移相电路、信号功率放大电路，如图1所示．

 

以下分别对上述部分分别进行介绍。

    由于超声波电动机白身就可以看作一个电容，具有滤波作用，所以只需要两路相差90度的方波信号即可满足要求。本文采用数字锁相技术实现90度移相。原理框图如图2所示，电路图如图3所示。

 

     在基本的锁相环( PLL)上附加少量的电路就可以获得非常精确的90度相移，图3附加了一个精密相乘器与积分器的串接电路，并将它与环路的鉴相器、环路滤波器相并联。如果输入信号是对称的，那么只有在u₁和u₂严格相差90度时，相乘器平均输出电压才为零，附加电路对基本PLL没有影响。只要u₁和u₂不是严格相差90度，相乘器输出中含有直流成分，积分器对直流信号的增益为无限大，这时附加电路的输出就成为压控振荡器(vco)控制电压的主要成分，它迫使vco移相，直至u₁和u₂严格相移90度为止。锁相环4046输出信号是方波，很容易利用开关电路完成精密相乘器的作用【3】。由于4046锁相器中心频率存在一定范围，所以必须通过电阻R₁、R₂、C₁（如图3所示）进行调节中心频率和下限频率，使其满足超声波电动机工作范围，如图4、5所示。

    根据图4和图5，选择不同的C₁、R₁、R₂，可以满足超声波电动机工作频率范围。锁相环4046供电电压VDD= 15 V，当分别选取C₁=240 pF， R₁=100 kΩ，R₂=1 MΩ，下限频率大约为20 kHz。当C₁=240 pF；R₁．=1 M，R₂=无穷时，中心