一种简单宽频带移相超寿波电动机驱动系统
何巍，杨明，李世阳(上海交通大学，上海200240)
摘要：传统的超声波电动机由于升压变压器的存在，驱动系统通用性差。介绍一种简单、宽频带、高性能超声驱动系统，该系统使用数字锁相技术实现移相，通过高性能运放将信号放大到峰峰值150 V，能够很好地驱动超声波电动机，
关键词：超声波电动机；数字锁相环；移相电路
中图分类号：TM35 文献标识码：A 文章编号：1004 -7018( 2008) 09 - 0049 -03
O引 言
超声波电动机利用压电材料的逆压电特性激发电机定子的机械振动，通过定转子之间的摩擦力，将电能转换为机械能输出，驱动转子的定向运动 [1]：与传统电机相比，它具有体积小、低速大转矩、反应速度快、不受磁场影响、保持力矩大等优点，近年来成为在微型电机方面的研究热点：
根据超声波电动机的运动机理，对超声波电动机驱动电源有比较严格的要求。一是要求驱动电源能够输出频率在20 -200 kHz的高频电压。二是由于压电材料具有容性负载的特点，不同于传统电机的感性或阻性负载，为了提高驱动电源效率，实现能量的高效转换，使换能器获得足够的功率，在驱动电源和换能器之间必须增加匹配电路。因此．驱动电源的性能在一定程度上决定了超声波电动机的性能。
目前常用的驱动电路是利用开关技术，由逆变器电路实现电压升压、能量传递、阻抗匹配和电源隔离，但是这种方法存在着通用性差的缺点。驱动超声波电动机需要一个较高的工作电压，通常是通过用升压变压器与超声波电动机进行阻抗配来实现：而升压变压器和超声波电动机容性阻抗构成一个滤波电路，每一台超声波电动机都需要一个特定的升压变压器进行阻抗匹配。
因此设计高性能、通用的驱动电路，使之作为各种类型的超声波电动机的驱动，并在此基础上研究一种行之有效的测量、控制技术，实现超声波电动机准确、稳定的工作，具有很大的现实意义[2]。
1驱动电路组成
由超声波电动机的工作机理可知，大部分超声波电动机的运行需要相关的驱动控制电路提供两路频率相同、相位差为90度，频率为20 - 200 kHz、输出信号峰峰值为100 - 350 V、功率为几十瓦的交变信号。
本文的超声波电动机驱动及控制电路主要由以下三个部分组成：信号发生器、90度移相电路、信号功率放大电路，如图1所示．
以下分别对上述部分分别进行介绍。
1 1移相单元
由于超声波电动机白身就可以看作一个电容，具有滤波作用，所以只需要两路相差90度的方波信号即可满足要求。本文采用数字锁相技术实现90度移相。原理框图如图2所示，电路图如图3所示。
在基本的锁相环( PLL)上附加少量的电路就可以获得非常精确的90度相移，图3附加了一个精密相乘器与积分器的串接电路，并将它与环路的鉴相器、环路滤波器相并联。如果输入信号是对称的，那么只有在u1和u2严格相差90度时，相乘器平均输出电压才为零，附加电路对基本PLL没有影响。只要u1和u2不是严格相差90度，相乘器输出中含有直流成分，积分器对直流信号的增益为无限大，这时附加电路的输出就成为压控振荡器(vco)控制电压的主要成分，它迫使vco移相，直至u1和u2严格相移90度为止。锁相环4046输出信号是方波，很容易利用开关电路完成精密相乘器的作用【3】。由于4046锁相器中心频率存在一定范围，所以必须通过电阻R1、R2、C1（如图3所示）进行调节中心频率和下限频率，使其满足超声波电动机工作范围，如图4、5所示。
根据图4和图5，选择不同的C1、R1、R2，可以满足超声波电动机工作频率范围。锁相环4046供电电压VDD= 15 V，当分别选取C1=240 pF， R1=100 kΩ，R2=1 MΩ，下限频率大约为20 kHz。当C1=240 pF；R1．=1 M，R2=无穷时，中心频率约为170kHz。选择这两组不同的R1、R2能够满足一般超声波电动机工作范围。利用锁相环路构成的移相器具有移相精度高，移相频带范围宽等优点，符合超声电动机移相要求。
1.2功放单元
目前实现功率放大的方法大致有两是利用开关电源技术，由逆变电路实现电量传递、阻抗匹配和电源隔离。这种方法简单实用，目前在国内的行波型超声波中使用比较广泛，但该方法中，变压器必；号的超声波电动机匹配，不具备驱动的适
第二类是采用正弦波信号直接放大电动机，以模拟放大电路为基础来实现。的正是这种方法。为了将正弦波信号无电压升压、功率放大，以供超声波电动必须选择线性放大的功放。
本文中考虑到需要较大的输出功率PEX公司的功率运算放大器MPl08。是一种新型的大功率运算放大器，同其他公司的运算放大器相比，该运算放大器具有高输出电压流、大输出功率、高带宽等优点。
MPl08的应用原理虽与普通运放相似，但在设计功放电路时要考虑其输出电压，以满足超声波电动机的要求，如图6所示。
输出电压的大小是由两方面的因素别为净空间和输出电压压降。净空间是理中的术语，用于描述信号饱和或失真前所允许的****输出幅值。这里，我们用净空间描述在一定供电电源的情况下，使输出不饱和在所允许的****输出电压范围。这个参数是由MP108的正负共模电压范围决定的，它们正好是对祢的，由于在设计中，没有用到MP108提供的增强模式，使Vb=Vs，所以正负共模电压范围为±| Vs -15 |。也就是说，输出电压的上限和正电源的差不能小于15V，而输出电压的下限必须比负电源高15 V。所以Vout的峰峰值为170 V。
输出电压压降是需要考虑的第二个因素，当MP108在工作时，在输出级会相对电源产生电压降，压降随着输出电流的增大而增大，如图7所示
MPl08在输出电流为1 A时，开始产生明显的压降。相对正电源的压降比较稳定，保持在8-9 V之间，而相对负电源的压降随着输出电流的增长有较大的增加，从4 V一直增加到7V。超 图7输出电压压降声波电动机工作需要的电流较低，一般不高于lA，为了使设计的功放能有较大的裕量，以满足通用性的要求，将输出电流定为1A，这样电压压降分别为8V和5v。输出电压进一步降低为Vout=157 V，能够满足超声波电动机工作要求。
在功放单元设计中，还必须要注意散热和电流的限制。MPl08电流限制根据经验公式：Ilim =0.625/Rlim由于受超声波电动机功率限制，所以取Rlim=2Ω。同时由于MP108是大功率器件，必须选用大散热片，采用高性能导热硅脂。
2实验测试
实验使用SFC - 2110信号发生器作为信号源，可产生高达10 MHz方波信号。本文设计的电路可以在20 - 200 kHz范围内产生两路稳定的相位相差90度方波信号，信号峰峰值****可达150 V，两路****输出功率之和约为200 W。装置实物图如图8所示，输出信号如图9所示，输出电压跟随频率变化如图10所示．
本超声波电动机驱动系统具有如下优点：系统结构简单，功敢部分无需输出变压器及阻抗匹配电路，可靠性高；实现容易；无需电源变压器，使用方便；信号幅度的调整也比较方便；通用性好，适合大部分超声波电动机。
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