摘要：以超声波电机驱动控制相关理论为基础，提出一种基j片上系统(sOc)控制的I—c双相谐振升压式驱动器设计方案。设计了驱动器的硬件电路及软件，并利用NI公司的Multisimt仿真软件进行了仿真实验，实验结果证明了该方案的可行陆．．关键词：超声波电机；Lc谐振升Hi；片上系统；仿真
超声波电机(ultmonicMmotor，usM)是一种原理与概念全新的微电机．它的应用离不开驱动电路，并且电机性能的提高除与电机传动机理的研究、结构设计、材料、摩擦及工艺性能的改善有关外，还与驱动控制技术有着直接的关系。
传统的超声驱动电源多是利用变压器来实现电压升压、能量传递、阻抗匹配和电源隔离，但这种设计方法其通用性差，且变压器的大体积阻碍r电源装置的小型化。考虑到超声波电机是容性负载的特点，给它串联·个电感后，则完全有可能利用Lc谐振将电压提升上去，从而省去体积庞大的变压器并解决超声波电机在特定场合的需要随着单片机制造技术的进步，单片机开始将外围电路集成在一块芯片上，这种新型嵌入式芯片称为片上系统(sOc)。本驱动器系统将采用以c8051F350单片机为控制核心的无变压器谐振升压驱动器设计方案：
谐振升压式驱动电路其基本电路如图1所示，当超声波电机在谐振频率附近，它町用一个等效电路来代替(图中虚线内的部分)L1为外加串联电感，Lm为电机质量效应的等效电感，cm为弹性效应的等效电容，Rm为定子内机械损耗的等效电阻。假设L1．、cd，构成谐振电路，Lm。cm。、Rm。。串联看作负载，则电感L1 开关swl和压电陶瓷的夹持电容c，构成升压电路一当开关swl闭合时，L，通过电源进行储能；当sWl断开时，L1储存的电能部分释放到cd上，因为出现Lc谐振，在电机的输入端产生高电压u，，通过swl的切换，在超声波电机的输入端就可以获得高电压周期信号。其中L，与c。组成的￡c谐振电路完成升压和滤波的功能，使电机获得高频电压驱动信号.图中二极管D为超快恢复二极管，它主要是防止电容c I：的电压在反相时的回流电流。由下面分析可知，满足一定条件时D可以省略：电感值可由式
估算得到，也可由实验获得。当电感值无法调试合适时，可在开关间并联电容以调节电感值。
不需要改变电路的其他特性，我们可将超声波电机的等效部分变换成图2所示的Rc并联电路。
2驱动器的硬件设计
实现速度控制是对超声波电机驱动控制系统基本要求之一。根据有关文献资料，在电激励下，行波型超声波电机定子表面形成周向行波：在波峰处，质点切向运动速度V可由下式表示：
式中，m为超声波振动的角频率，θ为两路输人数字信号的相位差，β和A分别为两路输入信号的振幅，k为周向行波的波数，由压电陶瓷的极化区域的分布情况定。由上式可以看出，波峰处的速度控制可以通过振幅A、B，相位差θ，驱动频率F(F=u／2w)来实现。由此得到多种速度控制方案。改变电机的驱动频率的控制方式适用于在单一变量作用下的控制策略，这种控制方式可充分利用超声波电机的低速大转矩、动态快速响应、无噪声等优点．并能保持较高的工作效率。根据超声波电机可利用频率调速的特点，在此我们考虑c8051F系列单片机的PcA频率输出方式产生频率可调的高频方波信号作为谐振升压电源的输入信号源。其中方波输出频率由下式决定
一0位选择的PcA时钟的频率。
整个驱动电源硬件设计框图如图3所示，整个系统由单片机，分频分相电路，谐振升压驱动电路，直流电源组成。
由于本驱动器设计仍处于试验阶段，我们直接采用ML—F350EK评估板来搭建实验平台。
根据超声波电机的驱动电源设计要求，要能驱动一般的行波超声波电机必须使电源能产生两路频率相同(可调)，相位差为90°，且输出电压峰值在l[)(]V以上的正弦波信号：
设定好PcA频率输出方式的控制字，使交叉开关为cExO分配P O O引脚，启动单片机进人工作状态后。在P O O口输出设计需要高频的方波信号。
单片机输出的高频方波信号，其中一路通过反相器4069，就得到两路方波信号(信号反向)。经过分频分相电路的二分频及90°移相将实现两路频率相同但相位相差90°的方波信号，90°移相示意图如图4所示
其中分频器用4013双D触发器实现，其供电范围为3 V～15 V。
3驱动器的软件设计
本方案的软件设计采用模块化设计的方法，所有的程序均采用c语占编写，可以方便地在Keiluvision2环境中进行硬件仿真调试和下载程序代码。
考虑到篇幅的限制，在此只给出部分程序。因为系统采用c8051F的PcA频率输出方式产生频率可调的高频方波信号作为谐振升压电源的输入信号源。
以下是PcA部分的控制程序
4双相无变压器谐振升压式驱动器的仿真
为了形象地实现驱动电源的仿真，我们采用NI公司的Multisiml0．O软件来进行仿真设计：
无变压器式的谐振升压驱动电路如图5所示。
图中L1为串联电感，Q3为耐高压的高速MOsFET，响应速度能达到设计要求。Dl为超快速二极管，G1为起声波电机的等效电容。由于开关Q3内部有一个反并联二极管，为防止电容c1上的电压在反相时通过此二极管放电，我们在电路中串联一个超快速二极管Dl_使L、c在关断期间能产生完整的振荡。
当E=9 V，开关频率为25 kHz，L=7 mH，c=3 3 11f，D=0 5，k=1时其仿真波形如图6，图7为其中一相的信号波形：
从仿真结果可以看出，该驱动电路的设汁实现了我们所需要的波形，得到两路频率相同但相位相差90。的正弦波信号，其输出电压峰值达到了300 V左右一双相谐振升压式驱动电路利用电机的夹持电容与外接电感构成的谐振升压关系，简化了驱动电源的设计：
谐振升压电路可直接采用9 V的电池进行供电，这样有利于驱动电源小型化及通用在不同场合，更利于便携：
5结语
基于片上系统控制的双相无变压器谐振升压式驱动器它具有通用性强，易实现小型化，控制方式简单等特点。它利用Lc谐振将电压提升上去，从而省去体积庞大的变压器，解决了超声波电机在特定场合的需要。通过仿真软件分析，可以发现这种设计方案具有可行性，使驱动器能得到期望的驱动信号，为通用型超声波电机驱动设备的研制打下了一定的基础。
