周维，徐志科，金龙

    (东南大学，江苏南京201196)

    摘要：介绍了一种具有频率跟踪功能的超声波电机驱动器。因各种原因，超声波电机在运行过程中会发生谐振频率漂移现象，进而导致电机转速下降、效率降低。电压电流的相位差即阻抗角特性反映了电机定子的谐振特性，通过不断调整控制器驱动信号频率，保持电机一相驱动电压与电流的相位差恒定不变，使电机始终运行在较佳频率点，提高电机的输出效率。该驱动器改变电路中比较器初始相位差设定值，电路可以跟踪相位差变化实现对超声波电机的稳速控制功能。

    关键词：超声波电机；锁相环；频率跟踪：驱动器

O引言

    超声波电机是一种全新概念的驱动微电机，与传统的电磁电机依靠电磁介质来传递能量不同，超声波电机不含磁极和绕组，它是通过在压电陶瓷上施加高频交流电压利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，再通过振动体和移动体之间的摩擦耦合，将压电振子的微观振动变换成转子宏观上的旋转或者直线运动，实现能量的转换。超声波电机作为一种直接驱动电机从20世纪80年代以来备受各国科研工作者的青睐，已成为当前机电控制领域的一个研究热点。

    但是电机运行时，定、转子之间的摩擦运动会产生大量热量，从而使其温度显著上升。温度的上升会使其谐振频率发生漂移，转速发生明显变化，转换效率降低。此外，由于负载的变化会引起电机参数的变化，进而也会导致其谐振频率漂移。本驱动器通过锁相环的频率跟踪功能，通过不断调整控制器驱动信号频率，使电机较稳定地运转在较佳工作状态。

1频率跟踪原理

超声波电机运行时，由于温度特性等因素的影响，电机定子的谐振特性曲线会发生漂移，导致电机转速下降，效率降低。此外，由于负载的变化会引起电机参数的变化，进而也会导致其谐振频率漂移。

 

 

    图1所示为超声波电机通常工作区域的阻抗相频特性曲线，φ为电压电流相位差，f表示电机驱动率。假设电机原来工作在Q点，电压电流相位差为φ，对应的驱动频率为而，由于温度特性等因素的影响，电机定子的谐振特性曲线会发生漂移，且有较好的平移性，虚线和实线分别表示温度为乃和n时的特性曲线，T₁>T₀。如果驱动频率不变，电机工作点将转移至Q₁点，电压电流相位差增大至φ电机转速下降。如果设法保持工作点不变，即φ=φ_ref，此时电机速度会基本保持不变，电机回到原来工作点。所以可以通过采集和处理电机运行时电压电流相位差信号，不断调整控制器驱动信号频率，维持相位差不变，使电机始终运行在较佳频率点。

2驱动器工作原理

 

 

2 1 PWM波生成电路

    锁相环cD4046内部的压控振荡器产生高频脉冲信号，作为双向移位寄存器74Lsl94的时钟信号，通过初始计数初值设置利用其移位功能产生四路PwM波信号，作为全桥逆变电路的开关信号，移位寄存器左移右移功能可以实现对电机的正反转控制。

2 2超声波电机驱动电路

    电路采用直流供电，因此需要逆变升压电路。移位寄存器产生的PwM波信号，送入全桥逆变电路。全桥逆变电路想通过先通过L298将5v直流电压转换为12v直流电压，然后将其转化成两相相差90。的高频交流信号，驱动电机运行。

2 3电压电流采样电路

    超声波电机使用两相驱动，采用简单的分压电路和比较器列电机任一相的电压电流信号进行采样，采样电路如图4所示。在一相变压器的输出端并联两个分压电阻，由图3中电阻R₉分压得电压采样信号，纯电阻网络采样信号和变压器输出信号同相。将电流信号采样电阻R₁₀采用外分接法与电机一相串联，此时采样电阻R₈和R₉要尽量大，以减小分流。

2 4锁相环cD4046基本原理

 

 

电压电流信号经采样后为正弦波信号，故需经过过零比较后转换成两路方波信号。方波的幅值反映了电压和电流相位差。两列方波再通过cD4046鉴相器PD鉴相输出为电压和电流相位差的信号UD，信号经外接低通滤波电路LF滤波成反映相位差变化的直流电平信号，与设定值进行比较，比较输出作为压控振荡器vcO的输入控制电压执。控制电压改变vcO频率，以减小输入信号与vCO之间的相位差。从而不断减小一相电压电流相位差与设定值之间的差距，从而锁定所需要的相位差，实现超声波电机的相位差闭环控制。

    当环路锁定时，控制电压把vcO频率平均值渊整到于输入信号频率的平均值完全一样。对于控制信号的一个刷期，vcO仪输出一个周期。锁相并非意味零相位误差，恒定的相位误差和起伏的相位误差都可能存在于锁相环中，过大相位误差会导致失锁。

    改变电路中比较器初始相位差设定值，电路可以跟踪相位差变化实现对超声波电机的稳速功能。

 

 

3实验结果与分析

为了验证频率跟踪系统的有效性，采用本实验室研制的直径为60 mm的行波型超声波电机进行实验，该电机的谐振频率是39．4 kHz。

 

 

    电机开环工作时，随着运行时间的延长，电机定子温度升高，定子谐振特性发生漂移，转速会出现明显的下降，如图6所示，转速从76. 8 r／min下降至63 .6 r／min左右之后趋于稳定此时电机转速大为下降，电机效率降低，工作性能很差。

    具有频率跟踪功能的超声波电机闭环运行时，使电机尽量从开环运行同等条件下启动，测得转速如图7所示，转速从74 .1 r/min F降至69．6 r/min左右并逐渐趋向稳定，电机转速波动±百分之六左右，较之开环有一定的改善。

实验结果表明加锁相环调节相位差的闭环控制能一定程度上跟踪定子谐振频率的漂移，从而不断调整电机驱动信号的频率，补偿由特性漂移带来的转速变化，实现对超声波电机的稳速控制功能。

4结语

本文针对行波超声波电机的运行特性，设计了这款基于锁相环芯片的超声波电机频率跟踪驱动器。为了实现超声波电机驱动电源频率跟踪的功能，利用相位差比较法，并通过实验验证了该方法的可行性。实验结果证明该方法切实可行，通过采集和处理电压电流相位差信号实现频率跟踪控制，实现对超声波电机的稳速控制功能，达到了预期的效果。同样可通过实验，在一定条件下找到所期望的力矩、功率、效率等指标对应的相位差值，锁定这个相位差，就可使电机运行在期望的工作状态。