本文將與大家分享，ATA-4315功率放大器在串聯(lián)諧振升壓原理超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的應(yīng)用，希望能對各位工程師有所幫助與啟發(fā)。

　　引言

　　本課題組研制的直徑30mm行波超聲波電機(jī)額定轉(zhuǎn)速90r/min，最大轉(zhuǎn)矩達(dá)0.1NM，已經(jīng)具有比較好的實(shí)用價(jià)值。但是驅(qū)動(dòng)超聲波電機(jī)需要兩相高頻正弦電壓[1]，且幅值較大，一般采用變壓器升壓的方式驅(qū)動(dòng)超聲波電機(jī)，這樣的好處在于變壓器的升壓倍數(shù)不受驅(qū)動(dòng)信號頻率的影響，驅(qū)動(dòng)頻率的可調(diào)范圍很大。方便對超聲波電機(jī)進(jìn)行調(diào)頻控制[2]。隨之帶來的缺點(diǎn)就是由于變壓器的存在而使得驅(qū)動(dòng)電路的體積較大。在實(shí)用性的驅(qū)動(dòng)電路中，不需要做調(diào)頻控制的情況下，為了克服驅(qū)動(dòng)電路體積大這一缺點(diǎn)，采用LC諧振升壓的方法取得電機(jī)運(yùn)行所需的激勵(lì)信號，省略了變壓器環(huán)節(jié)，使得驅(qū)動(dòng)電路更加小巧實(shí)用。

　　1驅(qū)動(dòng)機(jī)理

　　超聲波電機(jī)是利用逆壓電效應(yīng)，通過定轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置[3-4]。其驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵在于定子與轉(zhuǎn)子的接觸表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的橢圓運(yùn)動(dòng)。對于行波型超聲波電機(jī)，驅(qū)動(dòng)機(jī)理可以見圖1、圖2。

　　壓電材料預(yù)先處于被極化的狀態(tài)，隨著電極上的電壓的變化，壓電材料的形變也會(huì)相應(yīng)加大和減小，從而激勵(lì)出定子表面的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)。即便不改變加在壓電材料上的電壓的極性，只是改變所加電壓的幅值，定子表面質(zhì)點(diǎn)仍然存在振動(dòng)的趨勢，形成定子表面的行波，從而驅(qū)動(dòng)超聲波電機(jī)運(yùn)行。

　　2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　由以上對超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)理的分析，可以使超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路得到簡化。簡化后的驅(qū)動(dòng)電路如圖3。由于兩相電路形式相同，這里只畫出其中一相。

　　同一個(gè)橋臂上的兩個(gè)開關(guān)管Q1和Q2的開通關(guān)斷互補(bǔ)，且占空比為50%。快恢復(fù)二極管D1和D2為電感L提供續(xù)流通路。作為負(fù)載的超聲波電機(jī)可以等效為一個(gè)阻容性負(fù)載[5]，LC連同電機(jī)本身的電容一起構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)，將方波電壓波形調(diào)整為正弦電壓波形。所以驅(qū)動(dòng)電路可以進(jìn)一步簡化為圖4。

　　其中等效電容與等效電阻的值可以通過LCR測量儀取得。本實(shí)驗(yàn)使用的電機(jī)的并聯(lián)等效電阻為1.3M?，并聯(lián)等效電容為2.2nF。根據(jù)圖4，可知施加到超聲波電機(jī)上的電壓向量表示為式（1）（式中Cq為圖4中C與Cm的并聯(lián)。下同）

　　3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　以上計(jì)算值可以作為元件參數(shù)的選取提供了依據(jù)，因電機(jī)的電容在電機(jī)運(yùn)行后會(huì)有一定幅度的變化，為了穩(wěn)定電路的輸出，同時(shí)為了取得較高的諧振品質(zhì)因數(shù)和更好的濾除電源側(cè)的高次諧波，實(shí)際使用的LC參數(shù)還要在理論數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)根據(jù)實(shí)際做小幅調(diào)整。實(shí)驗(yàn)選取L=2.7mH;C=2.2nF。其中C與電機(jī)的等效電容Cm相同。可以改善電機(jī)電容變化對電路造成的影響。又不至于耗費(fèi)過多的無功功率。L遠(yuǎn)大于C，因此LC諧振的選頻特性很好。電機(jī)輸入端的實(shí)驗(yàn)波形圖5。此時(shí)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　由圖5可知，LC諧振可以取得電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電壓，其中示波器CH1所示的一相電壓基本無極性的改變，證明了含有直流偏置的交流電壓可以驅(qū)動(dòng)行波超聲波電機(jī)的觀點(diǎn)。CH1與CH2的差別是由于電機(jī)電容隨電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生一定程度變化，且電機(jī)兩相等效電容參數(shù)存在差異，所以導(dǎo)致兩相波形會(huì)有比較大的不同。提高電機(jī)的制造工藝，或?yàn)槊恳幌嚯娐纷龈?xì)的電路匹配，會(huì)使這個(gè)差異減小。圖6為53.7fkHz=的情況下，輸出電壓波形。對比圖5可知輸出電壓的幅值對驅(qū)動(dòng)頻率比較敏感。不過對于不需要調(diào)速的應(yīng)用場合，LC諧振型驅(qū)動(dòng)電路的小體積優(yōu)勢比較明顯。

　　ATA-4315高壓功率放大器

　　最大輸出功率452Wp

　　帶寬（-3dB）DC~3MHz

　　最大輸出電壓310Vp-p（±155Vp）

　　最大輸出電流4Arms

　　雙極性輸出

　　直流偏置0.1V步進(jìn)可調(diào)

　　4結(jié)論

　　本文通過對行波型超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理分析，設(shè)計(jì)了一種單橋臂LC諧振升壓的實(shí)用型驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)串聯(lián)諧振的電路特性，選取了適當(dāng)?shù)碾娐穮?shù)，成功對超聲波電機(jī)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)，省略了通常驅(qū)動(dòng)電路中所使用的變壓器環(huán)節(jié)，有效減小了電路體積。由于驅(qū)動(dòng)電壓對頻率敏感，為了穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電路的性能，可加入頻率跟蹤[6]環(huán)節(jié)以取得穩(wěn)定的電壓輸出。

　　[參考文獻(xiàn)]

　　[1]KUchino.Piezoelectric actuators and ultrasonic motors [M].Kluwer Academic Publishers,1997

　　[2]TSenjyu,HMiyazato,KUezato.Quick and precise position control of ultrasonic motors with two control inputs[C],1995,vol.1:415-420.

　　[3]顧菊平.圓柱定子超聲波電機(jī)及快速定位控制系統(tǒng)[D].南京.東南大學(xué),2003.

　　[4]胡敏強(qiáng),金龍,顧菊平.超聲波電機(jī)原理與設(shè)計(jì)[M].北京,科學(xué)出版社:2005.

　　[5]NorddinEI.,Hybrid Modeling of a Travelling wave Piezoelectric Motor[D].Dep.of Control Engineering Aalborg Universty,2000.

　　[6]甘云華，金龍，胡敏強(qiáng)，等.基于鎖相環(huán)的超聲波電機(jī)頻率跟蹤控制技術(shù)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009年02期:66~70.

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