ATA-4315功率放大器在串聯諧振升壓原理超聲波電機驅動電路中的應用
本文將與大家分享，ATA-4315功率放大器在串聯諧振升壓原理超聲波電機驅動電路中的應用，希望能對各位工程師有所幫助與啟發。
引言
本課題組研制的直徑30mm行波超聲波電機額定轉速90r/min，最大轉矩達0.1NM，已經具有比較好的實用價值。但是驅動超聲波電機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動超聲波電機，這樣的好處在于變壓器的升壓倍數不受驅動信號頻率的影響，驅動頻率的可調范圍很大。方便對超聲波電機進行調頻控制[2]。隨之帶來的缺點就是由于變壓器的存在而使得驅動電路的體積較大。在實用性的驅動電路中，不需要做調頻控制的情況下，為了克服驅動電路體積大這一缺點，采用LC諧振升壓的方法取得電機運行所需的激勵信號，省略了變壓器環節，使得驅動電路更加小巧實用。
1驅動機理
超聲波電機是利用逆壓電效應，通過定轉子之間的摩擦耦合，將電能轉化為機械能的裝置[3-4]。其驅動的關鍵在于定子與轉子的接觸表面質點產生的橢圓運動。對于行波型超聲波電機，驅動機理可以見圖1、圖2。
壓電材料預先處于被極化的狀態，隨著電極上的電壓的變化，壓電材料的形變也會相應加大和減小，從而激勵出定子表面的質點振動。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，定子表面質點仍然存在振動的趨勢，形成定子表面的行波，從而驅動超聲波電機運行。
2驅動電路的設計
由以上對超聲波電機驅動機理的分析，可以使超聲波電機的驅動電路得到簡化。簡化后的驅動電路如圖3。由于兩相電路形式相同，這里只畫出其中一相。
同一個橋臂上的兩個開關管Q1和Q2的開通關斷互補，且占空比為50%。快恢復二極管D1和D2為電感L提供續流通路。作為負載的超聲波電機可以等效為一個阻容性負載[5]，LC連同電機本身的電容一起構成選頻網絡，將方波電壓波形調整為正弦電壓波形。所以驅動電路可以進一步簡化為圖4。
其中等效電容與等效電阻的值可以通過LCR測量儀取得。本實驗使用的電機的并聯等效電阻為1.3M?，并聯等效電容為2.2nF。根據圖4，可知施加到超聲波電機上的電壓向量表示為式（1）（式中Cq為圖4中C與Cm的并聯。下同）
3實驗結果
以上計算值可以作為元件參數的選取提供了依據，因電機的電容在電機運行后會有一定幅度的變化，為了穩定電路的輸出，同時為了取得較高的諧振品質因數和更好的濾除電源側的高次諧波，實際使用的LC參數還要在理論數據的基礎根據實際做小幅調整。實驗選取L=2.7mH;C=2.2nF。其中C與電機的等效電容Cm相同。可以改善電機電容變化對電路造成的影響。又不至于耗費過多的無功功率。L遠大于C，因此LC諧振的選頻特性很好。電機輸入端的實驗波形圖5。此時電機正常運轉。
由圖5可知，LC諧振可以取得電機運轉所需的電壓，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動行波超聲波電機的觀點。CH1與CH2的差別是由于電機電容隨電機運轉的狀態會產生一定程度變化，且電機兩相等效電容參數存在差異，所以導致兩相波形會有比較大的不同。提高電機的制造工藝，或為每一相電路做更精細的電路匹配，會使這個差異減小。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動頻率比較敏感。不過對于不需要調速的應用場合，LC諧振型驅動電路的小體積優勢比較明顯。
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步進可調
4結論
本文通過對行波型超聲波電機的驅動機理分析，設計了一種單橋臂LC諧振升壓的實用型驅動電路，根據串聯諧振的電路特性，選取了適當的電路參數，成功對超聲波電機實現了驅動，省略了通常驅動電路中所使用的變壓器環節，有效減小了電路體積。由于驅動電壓對頻率敏感，為了穩定驅動電路的性能，可加入頻率跟蹤[6]環節以取得穩定的電壓輸出。
[參考文獻]
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[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及快速定位控制系統[D].南京.東南大學,2003.
[4]胡敏強,金龍,顧菊平.超聲波電機原理與設計[M].北京,科學出版社: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，等.基于鎖相環的超聲波電機頻率跟蹤控制技術[J].哈爾濱理工大學學報,2009年02期:66~70.
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