超声波电机谐振驱动电路仿真与实验研究
张瑞，史敬灼，刘兆魁
（河南科技大学电子信息工程学院，洛阳471003）
摘要：根据超声波电机的容性负载特性，通过串联匹配电感，构成由超声波电机本体参与的lc谐振升压的无变压器式驱动电路。文章提出了固定所有电路参数，只改变驱动信号频率、占空比和谐振周波数的方法，实现对超声波电机的驱动控制。以usr30为研究对象，对此方法进行实验验证，并为进一步有效地驱动控制电机提供可靠的依据。
关键词：超声波电动机；lc谐振；驱动电路
中图分类号：tm359. 9 文献标志码：a 文章编号：1001-6848(2010)-03-0045-03
o引 言
目前，超声波电机驱动控制器的体积较大，在一些应用中受到很大的限制。文献[1]根据电机的容性负载特性，通过简化超声波电机的等效电路，提出了利用lc谐振的无变压器式驱动电路，并进行了仿真分析。文献[2]研究了谐振驱动电路的设计方法，说明了输出信号中各次谐波幅值和
能量比与驱动信号占空比和谐振周期之间的关系。上述文献的研究为超声波电机功率谐振式驱动电路的研究提供了较好基础，但所给出的驱动电路只能使电机工作在预先设计的确定工作点，电机驱动电压频率等可控变量均不可调节，严重限制了该类电路的实际应用。文献[3]在可调可控方面进行了初步探索，对选择不同的电阻、电感值以实现频率离线调节进行了分析。但由于电路中的电感是功率电感，变电感值不易在线准确实现，功率谐振式驱功电路的可调可控仍有待进一步研究。
本文提出了一种新的驱动控制方法：即在固定电感值等所有电路参数不变的基础上，只改变功率开关驱动信号频率、占空比和谐振波数，以使驱动超声波电机的正弦波等效效应发生改变，从而实现电机驱动电压可调可控，进而实现电机转速控制。在此基础上进行仿真测试并搭建硬件电路，通过实验验证了这种方法的可行性，并为更好的驱动控制超声波电机提供可靠的依据。
1超声波电机等效电路
超声波电机在谐振频率附近，可以用图1的等效电路来表示，其中cd是压电陶瓷的夹持电容，电机质量效应的等效电感，c是弹性效应的等效电容，r。是定子内机械损耗的等效电阻。在不改变外特性的前提下，将等效电路简化为rc并联电路，各参数关系如下：
由于超声波电机一般在机械谐振点和反谐振点之间运行，电机对外呈容性，可忽略阻抗很大的串联之路的影响，略去等效电阻r。由于mos—fet内部有一个反并联体二极管，在电容c电压反相时会通过此二极管放电，使得输出电压只有正半波。为了防止这种情况出现，在电路串联一个超快恢复二极管，使得在开关断开期间lc能形成完整的振荡。使用boost升压lc谐振电路如图2所示。
电路工作原理为：当开关p导通时，电源向电感l储能；开关断开时，电感中储存的能量向电容c释放并与其谐振，整个电路为带初始条件的lc串联谐振电路。boost升压单元提升电压的关键原因有两个：一是电感l储能后具有使电压泵升的作用，二是电容c可将输出电压保持住，因此占空比的选择对输出电压的幅值和有效值起关键作用。串联匹配电感的选择由式：
决定，式中a为在关断期间谐振的整周波个数，d为占空比，t为开关周期。
2驱动控制方法的仿真研究
一旦匹配电感选下，lc谐振频率就固定不变，通过调整驱动mosfet昀驱动信号频率来改变谐振波形的占空比，不连续正弦波的等效效应发生改变，从而调节电机转速，达到控制目的。开关驱动信号频率厂与电机谐振频率关系见图3，并可表示为：
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