ATA-4014高壓功率放大器在超聲馬達驅動電路設計和制作中的應用
本文將與大家分享，ATA-4014高壓功率放大器在超聲馬達驅動電路設計和制作中的應用，希望能對各位工程師有所幫助與啟發。
1引言
超聲波馬達又稱超聲電機(ultrasonicmotor，簡稱USM)20世紀80年代才誕生的一種全新概念電機種類.超聲電機采用與傳統的電磁式電機截然不同的全新的原理和全新的結構形式，不需要磁鐵和線圈，而利用壓電材料的逆壓電效應激發某種特定模態的超聲振動，定子通過摩擦驅動轉子運動，從而獲得機械輸出的一種驅動器[1]
超聲波馬達的應用是壓電陶瓷發展的一個直接結果利用外加交變電場，使壓電陶瓷交變伸縮，超聲波馬達就是利用壓電陶資的這種交變伸縮，這種伸縮振動的振幅非常小，所以超聲馬達要在諧振頻率處激發超聲波馬達的定子振動.
雖然超聲馬達的定子的振幅只有1μm左右，但是由于超聲振動頻率一般都在20kHz以上，所以超聲波馬達也可以獲得很高的轉速.超聲電機具有扭矩/質量比大、結構緊湊、低速大扭矩、響應快、換向迅速、無電磁噪聲干擾和控制性好等優點，在機器人、精密儀器儀表、醫療器械、航空航天以及新型武器裝備等領域有著廣泛的應用前景[2]
本文針對超聲波電機的特點，設計了一套驅動控制電路，利用該驅動系統對所制作的超聲波電機進行實驗，得到了令人較滿意的結果.
2驅動原理簡介
我們設計的超聲電機是利用逆壓電效應，逆壓電效應是在壓電材料的相應部位間加上電壓，產生一定的電荷分布，材料會發生相應的形變，在此種壓電材料上加上某種特定頻率的交變正弦信號，材料就會產生隨所加電壓的變化規律而變化的機械形變.這種機械形變推動周圍介質振動，產生疏密相間的機械波，如果其振動頻率在超聲范圍，這種機械波就叫超聲波.
3超聲電機對電路的要求
超聲電機的應用離不開驅動電路，其特殊的驅動機理要求驅動器必須提供超聲頻段內的正弦交流電，驅動器通常為DC-AC型逆變器.驅動電路性能的優劣，不僅關系到超聲電機的輸出性能，也會影響其應用.對驅動電路而言，超聲電機是一個容性負載，因此超聲電機驅動電路的設計不同于呈電感性的傳統電磁型電機的驅動器設計.
圖一表明微型壓電超聲電機的輸人電壓(電壓峰-峰值)越大，轉速越大;圖表明微型壓電超聲電機的輸人電壓越大，其輸入功率也相應增大，因此如果想使超聲電機的輸出功率增大，就必須提高電壓，具體數值取決于超聲電機所采用的壓電材料的性能，電壓過高，會使壓電材料破裂;電壓過低，電機無法轉動[5]
不同的超聲波電機具有不同的驅動電壓工作范圍和最佳工作頻率.因而，超聲波電機驅動電路不僅要能夠輸出高頻高壓信號，而且其頻率、幅值都應該是可調的.超聲電機在實際工作中，必須通過控制電路進行調速.
4超聲波電機的驅動電路
根據以上壓電超聲馬達的電學特性，我們知道，壓電超聲馬達工作時首先必須在諧振狀態下即外電路驅動與定子自身產生諧振，這樣超聲馬達才能正常工作.壓電馬達的許多特性都與超聲電機的諧振密切相關，最突出的一點就是工作時頻率的范圍比較窄，一般2-3kHz左右.
針對我們小組研制的壓電超聲的特點，使用Multisim模擬設計整個電路(如圖3).驅動電路正常工作時，VCC提供整個電路的電源，在實際使用中用干電池來提供直流電.這個電路主要包含部分模塊:信號的產生，信號的移相，功率的放大，信號的輸出.
信號的產生是由LlL2和C5組成的振蕩回路，振蕩電路信號的放大是由一個NPN共射晶體管Q6和其他相關元件實現振蕩電路信號的正反饋是從放大器的集電極通過一個電容連接回LC振蕩回路，經過放大后，輸出單相信號(如圖4）.
將振蕩回路產生的初始信號分出一路接入第NPN共射晶體管Ql之中，對輸入信號產生了180度的移相，從而我們得到了兩路電壓峰峰值相等，相位相差的信號，如圖5.
為了得到電壓峰峰值比較高的超聲信號，我們使用了所謂推挽式的逆變電路，即圖中由對大功率的達林頓管Q2、Q3、Q4、Q5組成組信號放大電路(Q2和Q5一組，Q3和Q4一組).將前面所得到的路相差為180度的信號用來控制這兩組信號放大電路的導通和關斷.因此當Q2和Q5導通，Q3和Q4關斷時輸出交流電壓的正半周;當Q3和Q4關斷，Q2和Q5導通時輸出交流電壓的負半周.所以Q2、Q5和Q3、Q4輪流導通時，在小型升壓變壓器兩端就可以得到交流電壓信號(圖6).另外，為了控制超聲電機的正反轉，我們使用單刀雙擲的開關將輸出信號與壓電超聲電機的定子連接起來，從而實現了超聲電機順時針和逆時針的切換，如圖7所示.
在理論上設計完電路之后，我們使用Protel將整個電路模擬設計成結構緊湊、裝配元器件方便的印制電路板即PCB板，如圖8所示.因為我們小組設計的一部分微型超聲馬達只需要小功率的驅動信號(輸入電壓峰峰值小于60V)，就采用低功率的電子元器件，即圖的電路實物圖，還有一部分超聲馬達要使用大功率的驅動信號(輸入電壓峰峰值達到160V)，我們采用大功率的電子元器件，所以電路體積要稍大一些，如圖10.整個電路的輸出電壓峰峰值可以通過圖3的R8來進行調節.
帶寬：（-3dB）DC~1MHz
電壓：160Vp-p（±80Vp）
電流：5.65Ap
功率：452Wp
壓擺率：≥356V/μs
可程控
5結語
我們用設計的電路成功地驅動了小組所研制的壓電超聲電機，運轉性能良好，實現了初期的目標，該電路易于起振、工作穩定、安全可靠，是較好的壓電超聲電機驅動器。
參考文獻:
[1]上羽貞行，富川義朗.超聲波馬達理論與應用[M].楊志剛，鄭學論.上海:上?？茖W技術出版社，1997:1-7.
[2]趙淳生.超聲電機技術與應用[M].北京科學出版社，2007:1-3.
[3]Luo L H,Zhao C,et al.Cylinder-shaped ultrasonic motors 4.8 mm in diameter using electroactive piezoelectric materials [J]. Applied Physics letters,2007,90:052904.1-052904.3.
[4]Dong S, Wang S,Shen W, etal. A miniature piezoelectric ultrasonic motor based on circular bending vibration mode. ［J].IEEE/ASME Transactionson Mechatronics , 2000(5):325-330.
[5]馮祖勇.PMNT單晶的電致應變特性及其在壓電驅動器中的應用研究[D].中國科學院研究生院博士學位論文，上海硅酸鹽研究所，2005:113-128.
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