一種簡單寬頻帶移相超壽波電動機驅(qū)動系統(tǒng)
何巍，楊明，李世陽(上海交通大學，上海200240)
摘要：傳統(tǒng)的超聲波電動機由于升壓變壓器的存在，驅(qū)動系統(tǒng)通用性差。介紹一種簡單、寬頻帶、高性能超聲驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用數(shù)字鎖相技術(shù)實現(xiàn)移相，通過高性能運放將信號放大到峰峰值150 V，能夠很好地驅(qū)動超聲波電動機，
關鍵詞：超聲波電動機；數(shù)字鎖相環(huán)；移相電路
中圖分類號：TM35 文獻標識碼：A 文章編號：1004 -7018( 2008) 09 - 0049 -03
O引 言
超聲波電動機利用壓電材料的逆壓電特性激發(fā)電機定子的機械振動，通過定轉(zhuǎn)子之間的摩擦力，將電能轉(zhuǎn)換為機械能輸出，驅(qū)動轉(zhuǎn)子的定向運動 [1]：與傳統(tǒng)電機相比，它具有體積小、低速大轉(zhuǎn)矩、反應速度快、不受磁場影響、保持力矩大等優(yōu)點，近年來成為在微型電機方面的研究熱點：
根據(jù)超聲波電動機的運動機理，對超聲波電動機驅(qū)動電源有比較嚴格的要求。一是要求驅(qū)動電源能夠輸出頻率在20 -200 kHz的高頻電壓。二是由于壓電材料具有容性負載的特點，不同于傳統(tǒng)電機的感性或阻性負載，為了提高驅(qū)動電源效率，實現(xiàn)能量的高效轉(zhuǎn)換，使換能器獲得足夠的功率，在驅(qū)動電源和換能器之間必須增加匹配電路。因此．驅(qū)動電源的性能在一定程度上決定了超聲波電動機的性能。
目前常用的驅(qū)動電路是利用開關技術(shù)，由逆變器電路實現(xiàn)電壓升壓、能量傳遞、阻抗匹配和電源隔離，但是這種方法存在著通用性差的缺點。驅(qū)動超聲波電動機需要一個較高的工作電壓，通常是通過用升壓變壓器與超聲波電動機進行阻抗配來實現(xiàn)：而升壓變壓器和超聲波電動機容性阻抗構(gòu)成一個濾波電路，每一臺超聲波電動機都需要一個特定的升壓變壓器進行阻抗匹配。
因此設計高性能、通用的驅(qū)動電路，使之作為各種類型的超聲波電動機的驅(qū)動，并在此基礎上研究一種行之有效的測量、控制技術(shù)，實現(xiàn)超聲波電動機準確、穩(wěn)定的工作，具有很大的現(xiàn)實意義[2]。
1驅(qū)動電路組成
由超聲波電動機的工作機理可知，大部分超聲波電動機的運行需要相關的驅(qū)動控制電路提供兩路頻率相同、相位差為90度，頻率為20 - 200 kHz、輸出信號峰峰值為100 - 350 V、功率為幾十瓦的交變信號。
本文的超聲波電動機驅(qū)動及控制電路主要由以下三個部分組成：信號發(fā)生器、90度移相電路、信號功率放大電路，如圖1所示．
以下分別對上述部分分別進行介紹。
1 1移相單元
由于超聲波電動機白身就可以看作一個電容，具有濾波作用，所以只需要兩路相差90度的方波信號即可滿足要求。本文采用數(shù)字鎖相技術(shù)實現(xiàn)90度移相。原理框圖如圖2所示，電路圖如圖3所示。
在基本的鎖相環(huán)( PLL)上附加少量的電路就可以獲得非常精確的90度相移，圖3附加了一個精密相乘器與積分器的串接電路，并將它與環(huán)路的鑒相器、環(huán)路濾波器相并聯(lián)。如果輸入信號是對稱的，那么只有在u1和u2嚴格相差90度時，相乘器平均輸出電壓才為零，附加電路對基本PLL沒有影響。只要u1和u2不是嚴格相差90度，相乘器輸出中含有直流成分，積分器對直流信號的增益為無限大，這時附加電路的輸出就成為壓控振蕩器(vco)控制電壓的主要成分，它迫使vco移相，直至u1和u2嚴格相移90度為止。鎖相環(huán)4046輸出信號是方波，很容易利用開關電路完成精密相乘器的作用【3】。由于4046鎖相器中心頻率存在一定范圍，所以必須通過電阻R1、R2、C1（如圖3所示）進行調(diào)節(jié)中心頻率和下限頻率，使其滿足超聲波電動機工作范圍，如圖4、5所示。
根據(jù)圖4和圖5，選擇不同的C 1、R 1、R 2，可以滿足超聲波電動機工作頻率范圍。鎖相環(huán)4046供電電壓VDD= 15 V，當分別選取C 1=240 pF， R 1=100 kΩ，R 2=1 MΩ，下限頻率大約為20 kHz。當C 1=240 pF；R 1．=1 M，R 2=無窮時，中心 |
