行波型超声波电动机变频控制系统
夏长亮 史婷娜 陈永校（浙江大学 ）
1引言
行波型超声波电动机是一种新型微特 电机．它是靠定子环背面所粘贴的压电陶瓷起振而带动定子环一起振动，再通过定、转子之间的摩擦力驱动转子旋转。根据这种电动机的特殊工作要求，需对压电陶瓷施加两相电压有效值相等、频率相同、相位相差90。（电角度）的正弦波交流电。由压电陶瓷的逆压电效应，每一相交流电分别在压电体上产生一个振动驻波，两驻波在时间上相差90。（电角度），空间上相差1/4波长，进而合成为一个振动行波，带动定子环一起振动。由于所用交 流电的频率在超声波频段，因此被称为超声波电动机。 2驱动一控制系统的构成
行波型超声波电动机驱动一控制系统外部输入为l2V的直流电，输出为两相交流电，对系统而言，须将输入的直流电转变成交流电，因此，可将其看成是一个逆变器。由于这种电机的一相等效电路为容性电路，可将方波信号中的高次谐波滤掉而成为正弦波，这样，只要求系统能产生两相电压有效值相等、频率相同、相位相差90度（电角度）的方波交流电即可，从而使电路得到简化。图1为系统构成框图。
2.1功放部分
功放部分采用两个相同的推挽放大器，如图2a所示。由于T1、T2选用两个同极性晶体管，所以输入信号必须是分相信号才可加到他们各自的基极上。电路的输出采用输出变压器与负载相耦合，改变输出变压器的匝数比可使负载成为放大器要求的****负载，以保证晶体管工作在****运用状态，推挽放大电路时两个互补晶体管，在一个信号周期内轮流导通半个周期，导通角为π。
2.2波形产生及鉴相回路
可以由功率放大电路输出端E、F两点的波形来分析A、B、C、D各点的波形。为了方便，不妨分析系统空载时各点的波形，此时E、F点的波形分别为两相幅值相等、相位相差90度的方波。假设E点波形滞后于F点，且A、B点产生正电压时，E、F点也为正电压，则易得A、B:C、D各点的时序图，如图2b所示。分析各点波形，可以看出A、百、C、D各点的态序在一个时间周期内完成从A到D的数字逐次左移过程：
同理，当E点波形超前于F点，A、B、C、D各点的时序如图2c所示。此时A、B、C、D各点的态序在一个时间周期内完成从A到D的数字逐次右移过程：
要完成从A到D的数字循环左、右移过程，只需一个环形计数器即可，在这里选用了集成芯片CD40194，如图3a所示。当环形计数器的触发喘输入一个脉冲，则输出的四个管脚Qo、Q1、Q2、Q3的状态就一起变动一次，且依次相差90度，即自动地具有了鉴相的功能，输出波形分别与A、B、C、D各点的波形一样（如图3b、c所示）。由图中可知供给环形计数器的频率为输出电压频率的4倍。环形计数器输出端的数字左、右移过程正好分别对应于超声波电机的正、反转，满足了对电机正反转的要求。
2.3可调的频率产生电路．
由于对电动机有变速要求．必须使超声波电动机的驱动一控制系统具备可以改变定子环共振的功能，这可以通过改变输入电机的两相交流电的频率来改变定子环共振，即变频调逮。
可调的频率产生电路是由以NE555定时器为主构成的可调多谐振荡器组成，如图4a所示，其工作原理如下：
a．接通电源瞬间，电容来不及充电，此时，可将NE555集成块看成是一个RS触发器，R=S=O.Q=I，输出V。为高电平，另一方面，Q=o,导致放电管截止，电容开始充电，进入下一状态。
b．电容c充电，按指数规律上升，趋向Ec，值．输出电压暂稳在高电平。
c.当电容上电压Vc上升到2/3Ec时．使输出电压V。为低电平。
d．由于Q=l,放电管饱和，电容放电．放电回路，放电时间常数，电容上电压按指数规律下降，同时使输出电压暂稳在低电平。
e．当电容上电压，下降，放电结束，使输出电压V0为高电平。同时，放电管截止，电容又开始充电，重复上述现象。
由此可得频率产生电路的输出波形，如图4b所示。
传输给环形计数器作为时钟脉冲CF的频率为：
超声波电动机工作电压频率f为：
通过改变图4a中可调电位器的大小，使多谐振荡器输出脉冲的频率发生变化，从而使电机工作电压频率随之改变，达到调节电机转速的目的。
2.4反馈回路
由于电动机中压电元件谐振点与反谐振点随温度的变化会发生1. 4kHz左右的漂移[34]，因此引入反馈回路，使电机保持正常的工作状态。图5为定子的导纳一频率特性。
反馈回路主要由反馈电压采样器和积分器两部分组成（见图6）。反馈电压采样器是将电机内部传感器产生的大小与定子环振幅Am有关、频率与定子环振动频率相同的反馈电压采集进来，变成一直流电平，显然，VJ的值随Vf的幅值大小而变化。
反馈电压积分器是对给定的反馈得到的VJ进行比较，其输出端直接接在555集成片的电压控制端（第5管脚）。由多谐振荡器的工作原理可知，积分器输出端微小的变化会使多谐振荡器产生的振荡频率fo有一个很小的增量，从而达到自动跟踪频率的作用。
3实验结果分析
所研制的行波型超声波电动机变频控制系统(UM- 01型)与日本同类产品(USR -45型)性能对比如附表所示。
变频控制系统带动行波型超声波电动机时输出电压波形见图7（电动机空载）。可见，变频控制系统带上电机后，原来的两相方波电压自动变成了两相电压有效值相等、频率相同、相位相差90度电角度的正弦波交流电。
4 结 论
为适应行波型超声波电动机特殊的工作需要，所研制的变频控制系统结构简单、运行可靠，由附表可看出．行波型超声波电动机变 频控制系统性能已接近日本同类产品性能。
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