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何巍，楊明，李世陽(yáng)(上海交通大學(xué)，上海200240)

  摘要：傳統(tǒng)的超聲波電動(dòng)機(jī)由于升壓變壓器的存在，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通用性差。介紹一種簡(jiǎn)單、寬頻帶、高性能超聲驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用數(shù)字鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)移相，通過(guò)高性能運(yùn)放將信號(hào)放大到峰峰值150 V，能夠很好地驅(qū)動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)，

  關(guān)鍵詞：超聲波電動(dòng)機(jī)；數(shù)字鎖相環(huán)；移相電路

  中圖分類號(hào)：TM35  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)：1004 -7018( 2008) 09 - 0049 -03

O引  言

    超聲波電動(dòng)機(jī)利用壓電材料的逆壓電特性激發(fā)電機(jī)定子的機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)定轉(zhuǎn)子之間的摩擦力，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的定向運(yùn)動(dòng) [1]：與傳統(tǒng)電機(jī)相比，它具有體積小、低速大轉(zhuǎn)矩、反應(yīng)速度快、不受磁場(chǎng)影響、保持力矩大等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)成為在微型電機(jī)方面的研究熱點(diǎn)：

    根據(jù)超聲波電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源有比較嚴(yán)格的要求。一是要求驅(qū)動(dòng)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(fù)載的特點(diǎn)，不同于傳統(tǒng)電機(jī)的感性或阻性負(fù)載，為了提高驅(qū)動(dòng)電源效率，實(shí)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(dòng)電源和換能器之間必須增加匹配電路。因此．驅(qū)動(dòng)電源的性能在一定程度上決定了超聲波電動(dòng)機(jī)的性能。

    目前常用的驅(qū)動(dòng)電路是利用開(kāi)關(guān)技術(shù)，由逆變器電路實(shí)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(diǎn)。驅(qū)動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)需要一個(gè)較高的工作電壓，通常是通過(guò)用升壓變壓器與超聲波電動(dòng)機(jī)進(jìn)行阻抗配來(lái)實(shí)現(xiàn)：而升壓變壓器和超聲波電動(dòng)機(jī)容性阻抗構(gòu)成一個(gè)濾波電路，每一臺(tái)超聲波電動(dòng)機(jī)都需要一個(gè)特定的升壓變壓器進(jìn)行阻抗匹配。

    因此設(shè)計(jì)高性能、通用的驅(qū)動(dòng)電路，使之作為各種類型的超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并在此基礎(chǔ)上研究一種行之有效的測(cè)量、控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)準(zhǔn)確、穩(wěn)定的工作，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

    由超聲波電動(dòng)機(jī)的工作機(jī)理可知，大部分超聲波電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行需要相關(guān)的驅(qū)動(dòng)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(hào)峰峰值為100 - 350 V、功率為幾十瓦的交變信號(hào)。

    本文的超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路主要由以下三個(gè)部分組成：信號(hào)發(fā)生器、90度移相電路、信號(hào)功率放大電路，如圖1所示．

 

以下分別對(duì)上述部分分別進(jìn)行介紹。

    由于超聲波電動(dòng)機(jī)白身就可以看作一個(gè)電容，具有濾波作用，所以只需要兩路相差90度的方波信號(hào)即可滿足要求。本文采用數(shù)字鎖相技術(shù)實(shí)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(gè)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(hào)是對(duì)稱的，那么只有在u₁和u₂嚴(yán)格相差90度時(shí)，相乘器平均輸出電壓才為零，附加電路對(duì)基本PLL沒(méi)有影響。只要u₁和u₂不是嚴(yán)格相差90度，相乘器輸出中含有直流成分，積分器對(duì)直流信號(hào)的增益為無(wú)限大，這時(shí)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(yán)格相移90度為止。鎖相環(huán)4046輸出信號(hào)是方波，很容易利用開(kāi)關(guān)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(guò)電阻R₁、R₂、C₁（如圖3所示）進(jìn)行調(diào)節(jié)中心頻率和下限頻率，使其滿足超聲波電動(dòng)機(jī)工作范圍，如圖4、5所示。

    根據(jù)圖4和圖5，選擇不同的C₁、R₁、R₂，可以滿足超聲波電動(dòng)機(jī)工作頻率范圍。鎖相環(huán)4046供電電壓VDD= 15 V，當(dāng)分別選取C₁=240 pF， R₁=100 kΩ，R₂=1 MΩ，下限頻率大約為20 kHz。當(dāng)C₁=240 pF；R₁．=1 M，R₂=無(wú)窮時(shí)，中心