斜齒型微超聲波電動機(jī)自振蕩驅(qū)動電源的設(shè)計
舒翀1，王光慶2，郭吉豐1
(1.浙江大學(xué)，浙江杭州310027；2.浙江工商大學(xué)，浙江杭州310018)
摘要：基于壓電振子為容性負(fù)載這一特點(diǎn)，以自振蕩驅(qū)動為原理設(shè)計了一種新型超聲波電動機(jī)驅(qū)動電源，通過其選頻功能實現(xiàn)了電機(jī)頻率的自動跟蹤。試驗證明，所設(shè)計的驅(qū)動電源能自動解析出電機(jī)工作頻率，且具有頻率自動跟蹤功能，同時還利于超聲波電動機(jī)驅(qū)動電源的小型化和集成化。
關(guān)鍵詞：超聲波電動機(jī)；頻率跟蹤；自振蕩；驅(qū)動電源；小型化
中圖分類號：TM35 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)07-0023-03
0引 言
超聲波電動機(jī)是近年發(fā)展起來的一種新型電機(jī)。在定子壓電振子上外施高頻交流電壓激勵時，利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的超聲振動，將這種振動通過定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦耦合來直接驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。然而，驅(qū)動超聲波電動機(jī)，只有當(dāng)外加交變電場的頻率跟壓電振子的共振頻率一致時才能激發(fā)起振子的機(jī)械振動。傳統(tǒng)的超聲波電動機(jī)驅(qū)動器是通過定時器組成的諧振電路產(chǎn)牛一定工作頻率的驅(qū)動信號，再經(jīng)過功放電路加載于電機(jī)兩端。超聲波電動機(jī)中壓電陶瓷的介電系數(shù)、等效電容、漏電阻都會隨溫度的升高發(fā)生變化，這將導(dǎo)致諧振頻率隨之改變，電機(jī)性能下降，使得整個電路需增加額外的頻率自動跟蹤回路，如華中科技大學(xué)利用了窗口比較器、可逆計數(shù)器、D／A轉(zhuǎn)換器和壓控振蕩器實現(xiàn)了頻率跟蹤[5]。這樣使得電路更復(fù)雜，限制了超聲波電動機(jī)小型化及推廣應(yīng)用。
基于自振蕩原理的驅(qū)動器則是解決這一問題的方法之一。在該電路中，超聲波電動機(jī)作為其中的一個元件參與頻率的產(chǎn)生，當(dāng)溫度變化時，壓電振子共振頻率漂移時，加在振子的信號頻率會自動與之相適應(yīng)，無需加專門的頻率跟蹤回路。此電路縮小了電路裝置的體積，減輕電路重量，降低制作成本，從而有利于超聲波電動機(jī)驅(qū)動器的小型化和集成化。目前它尤其適用于單相駐波型超聲波電動機(jī)。
1斜齒型微超聲波電動機(jī)簡介
斜齒型微超聲波電動機(jī)屬于彈性葉片類，其結(jié)構(gòu)如圖l所示。該電機(jī)由固定預(yù)載Fc將轉(zhuǎn)子壓緊到斜齒的端面，靜預(yù)緊力隨工作中轉(zhuǎn)矩的變化而隨時通過加緊螺絲調(diào)整。圖1為斜齒****振動位移軌跡示意圖，當(dāng)壓電陶瓷電極兩端通交流電信號，定子表面產(chǎn)生Uy的縱向正弦振動，借助于定子表面的斜齒與轉(zhuǎn)子的相互壓緊，誘發(fā)定子上的斜齒產(chǎn)生彈性變形，由于斜齒的前伸受到轉(zhuǎn)子面的限制，當(dāng)斜齒端面與轉(zhuǎn)子表面接觸時，其斜齒端面沿轉(zhuǎn)子面移動，斜齒端面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生近似的橢圓運(yùn)動軌跡，若摩擦力足夠大，斜齒****將粘在轉(zhuǎn)子的表面，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子單方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動υx。斜齒前端的運(yùn)動軌跡并不是嚴(yán)格的橢圓運(yùn)動，斜齒前端與轉(zhuǎn)子表面接觸期間，接觸點(diǎn)的位置近似在轉(zhuǎn)子的平面內(nèi)的直線上，如圖1所示，F(xiàn)c為靜態(tài)預(yù)壓力。
此斜齒型微型電機(jī)尺寸小，傳統(tǒng)型的驅(qū)動電源尺寸較大，這就需要小型電源與之匹配，且其驅(qū)動原理為單相駐波驅(qū)動，因此，非常適合采用自振蕩原理的驅(qū)動電源。
2電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計
利用自振蕩原理，驅(qū)動電源由放大網(wǎng)絡(luò)和選頻反饋網(wǎng)絡(luò)組成，放大網(wǎng)絡(luò)是由多級放大電路和變壓器組成，選頻網(wǎng)絡(luò)是由電機(jī)等效電路和外圍電路構(gòu)成的RC串并聯(lián)電路組成。下面對它們進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
實際上，接通電源的瞬間，總會有通電瞬間的電沖擊、電干擾、晶體管的熱噪聲等，盡管這些噪聲很微弱，也不是單一頻率的正弦波，但卻是由許多不同頻率的正弦波疊加組合而成的。在不斷放大→反饋→選頻→放大→反饋→選頻的過程中，振蕩就可以自行建立起來。
晶體管是一個非線性元件，只有在線性區(qū)才會有放大作用。開始振蕩時，信號較小，工作在線性區(qū)，A正常值，正反饋，使AF>1；當(dāng)信號增大到進(jìn)入非線性區(qū)時，輸出信號產(chǎn)生削波失真，在信號的一個周期的部分時間內(nèi)才有放大作用，平均放大量要減小，AF也隨之下降，當(dāng)降到AF=1時，輸出和反饋的振幅不再增長，振蕩就穩(wěn)定下來了。可見，穩(wěn)幅的關(guān)鍵在于晶體管的非線性特性，所以：
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