超聲波電動機驅動控制綜述

羅辭勇，張 帆，盧 斌，肖發福

(重慶大學，重慶 400044)

0 引 言

超聲波電動機是近些年來發展起來的一種新型電機，它不同于傳統的電磁式電機。超聲波電動機的工作原理是利用壓電材料的逆壓電效應，對定子上的壓電陶瓷元件施加一定功率超聲頻段的交流信號激發其微幅振動，再通過定子和轉子之間的摩擦作用最后將電能轉化為機械能。由于驅動超聲波電動機的信號必須是具有一定功率的高頻高壓信號，所以超聲波電動機功率驅動電路的功能是將驅動器的控制信號轉換為可驅動電機正常運行的功率信號。驅動器(有時也稱之為驅動電源)性能的優劣，不僅關系到超聲波電動機的輸出性能，也會影響其實際應用［1－2］。

根據超聲波電動機自身的特點，超聲波電動機在運行的過程中應該重點考慮驅動器輸出的電壓幅值、頻率和相位差，加上傳統電機驅動器的設計要求，因此超聲波電動機驅動器應具備以下功能:

(1)驅動電壓可調，驅動電壓過高會使壓電陶瓷片破裂，過低則電機不能正常工作。

(2)驅動器的頻率應該根據超聲波電動機的驅動頻率可調(一般20～100 kHz)。

(3)驅動器需提供兩路或四路具有一定相位差并且在0～180℃范圍連續可調的驅動信號。

(4)可實現正反轉。

(5)由于超聲波電動機為容性負載，驅動器需要進行阻抗匹配。

(6)由于超聲波電動機存在的非線性，在超聲波電動機實際運行中，需要通過控制回路來進行調速。

超聲波電動機對于驅動電路而言是一個容性負載，其等效電路如圖1所示。在一般情況下都認為Cd為靜態電容，但是當壓電陶瓷在強電場的作用下，電容不是靜態電容且電容值不穩定，此時電源驅動器驅動電機，會引起作用在電機兩端電壓不穩定，且其幅值也會時大時小［3］。

圖1 超聲波電動機等效電路圖

超聲波電機驅動電路包括可調頻率發生器、分頻分相器、功放電路和匹配電路［1］。圖2為驅動器的基本結構框圖，其中最后驅動超聲波電動機的驅動信號是兩相相位相差90°的高頻交流信號，此高頻交流信號可以是正弦交流信號也可以是方波交流信號［4］。本文在超聲波電動機驅動原理的基礎之上，比較全面地闡述了驅動控制電路各個部分的組成、目前的主要技術和發展方向。

圖2 驅動器的基本結構框圖

1 驅動信號的產生

根據超聲波電機的特性，超聲波電機對于驅動信號有特定的要求，傳統的驅動信號產生電路包括了可調頻率發生器、分頻分相器。可調頻率發生器的選擇有很多種，如RC多諧振蕩器、555多諧振蕩器、壓控振蕩器等。分頻分相器的功能是將頻率發生器產生的單相信號轉換成兩相信號，文獻［1］介紹了移位寄存器構成的分相器CD10194和復雜可編程邏輯器件構成的分相器。文獻［5］提供了多種基于單片機提取輸出波形的方法，并且隨著單片機和DSP性價比的提高，使用MCU作為頻率發生器會逐漸成為主流。

傳統的超聲波電動機驅動存在著體積大、性能單一、難實現頻率連續可調等問題，而近年來發展起來的數字直接合成技術(DDS)［1－2］可以較好地解決上述問題。DDS以模擬放大電路為基礎，先由DDS信號發生單元產生兩路獨立的正弦信號，然后這兩路信號分別經低通濾波和三極管射極跟隨送至高速光隔［6］，最后高壓運算放大器放大驅動超聲波電動機，其峰峰值可以達到250～300 V［5］，但此方法使得驅動電源結構復雜、電源效率低且成本較高。DDS是信號發生單元，其芯片輸出的是數字化的正弦波，因此，還需經過高速D/A轉換器和低通濾波器才能得到一個可用的模擬頻率信號。圖3為DDS的原理框圖［7］。

圖3 DDS原理框圖

文獻［8］驅動電路中介紹了一種AD9850DDS芯片，該DDS芯片具有較高的性價比，可產生最高62.5 MHz的信號，直接控制精度11.25度，在實際應用中達到了控制要求，采用8位并行或者串行方式傳輸總長40 bit的控制字。

2 驅動功率放大電路

驅動超聲波電動機的信號必須是具有一定功率的高頻高壓信號［1］，而產生高頻高壓的方式主要有兩種:一是利用傳統的開關電源技術結合變壓器來實現電壓升壓，但變壓器必須與不同型號的超聲波電動機匹配，不利于小型化和通用化。二是利用超聲波電動機的特性，如等效電路參數，采用諧振電路實現超聲波電動機的無變壓器驅動［2］，此驅動電路可以有效地減小體積、降低成本，且便于集成化生產，適用于超聲波電動機功率不是很大的小型便攜式設備及對體積、重量有嚴格要求的產品，如照相機的調焦、航空、航天等領域［9］。

開關逆變型驅動電路是基于逆壓電原理的超聲波電動機驅動電路，根據其結構的不同和應用要求的不同，有不同的電路拓撲結構。利用MOSFET構成的開關逆變驅動電路主要可以分為三種:推挽變換電路、全橋變換電路和半橋變換電路［1－2］。推挽式開關電路是開關逆變電路的典型，所以本文只介紹了推挽式開關電路。圖4為推挽電路的原理圖，其中Q1、Q2交替導通，在變壓器T原邊的兩個繞組分別形成相位相反的交流電壓，其突出的優點是電路對稱，兩個開關元件的驅動電路具有公共地，不需要隔離驅動，可以簡化電路設計［5］。推挽式變換器具有最簡單的電路結構，并且變壓器利用率高，特別適合低電壓供電的超聲波電動機驅動，但考慮到安全問題，每個開關管的額定電壓應該為輸入電壓的3.3倍［1，5］。這種電路結構在日本新生公司的超聲波電動機驅動器、東南大學、南京航空航天大學所做的超聲波電動機中得到了廣泛的使用［5］。

以推挽電路為典型的開關逆變型驅動電路不允許兩個串聯的開關管同時導通，否則會損壞開關管，不能使用50%占空比的方波信號進行驅動，且必須為兩路驅動信號設置死區［1］。

諧振升壓式驅動電路是根據超聲波電動機的容性負載特性，將超聲波電動機本身作為電路的組成部分，匹配其他元件構成自激振蕩電路，參與驅動信號的產生［10］。充分利用諧振升壓的無變壓器式驅動電路不僅減少了驅動器的體積，還為驅動器的通用性和微型化創造了條件。根據諧振電路的原理和拓撲結構，下面介紹LC和LLCC諧振升壓電路。

圖4 推挽變換電路

LC諧振電路如圖5所示。超聲波電動機本身相對于驅動電路是一個容性負載，因此只需要串聯一個電感就能組成LC諧振電路，其基本原理為BOOST升壓電路［10］。在圖5中，當開關SW1閉合時，電源向電感L儲能;當開關斷開時，電感中的儲能向電容C釋放能量并與其諧振。

圖5 LC諧振電路的原理圖

LLCC 變換電路［4，6］:在絕大多數傳統驅動方式中，兩相電路的品質因數不同且隨時間變化。當串聯諧振逆變器的開關頻率和諧振頻率趨于一直時，品質因數的變化將引起電壓增益的嚴重畸變，并導致兩相輸出電壓在同樣的開關頻率下出現不穩定。為了解決這個問題，最新的提法是利用高階逆變器即LLCC變換電路對傳統的諧振電路進行拓撲［6］。LLCC諧振升壓電路包含了三階LCC型和LLC型逆變器的優點，其原理圖如圖6所示，該諧振電路利用了超聲波電動機本身容性負載的特性，LS、CS構成串聯諧振電路，同時 LP、CP構成并聯諧振電路。

圖6 LLCC諧振升壓電路

文獻［11］提出了一種基于RCD箝位單端反激型DC－DC變換電路，的超聲波電動機升壓電路:該電路的原理圖如圖7所示。以開關電源控制芯片UC3842為核心，采用雙副邊繞組變壓器結合整流電路輸出正負對稱直流電壓［11］。此電路由 R1、C1、D1 組成的RCD吸收電路很好地解決了在功率管Q1關斷時漏感所引起的電壓尖峰，當開關管關斷時，變壓器漏感能量轉移到電容C上，使電壓始終穩定在設定值附近［11］。

圖7 單端反激型DC－DC變換電路

3 匹配電路

阻抗匹配在驅動電路設計中有著重要的作用，一方面可以改善驅動電路與超聲波電動機之間的耦合度，另一方面可以改善輸出的電壓波形即濾波和改變功率因數角，達到改善輸出功率的目地［2］。合理的阻抗匹配可以在超聲波電動機系統中起到調諧、變阻、濾波的作用［12］。阻抗匹配一般有并聯電感、串聯電感、電感－電容匹配和T型網絡匹配等方法。

并聯電感匹配就是在超聲波電動機的輸入端口并聯一定值的電感，如圖8所示。當匹配電感與超聲波電動機并聯時，超聲波電動機的串聯共振頻率不變，但并聯共振頻率會升高［2］。超聲波電動機系統的有功電阻在采用并聯電感匹配這種方式后并沒有什么變化，同時這種方式缺乏濾波作用［12］。

串聯電感相對于并聯電感不僅有濾波上的優點，還能兼顧調諧作用［12］，所以較之于串聯電感匹配，并聯電感匹配并不常用。

串聯電感匹配就是在超聲波電動機的輸入端串接上匹配電感，如圖9所示。串聯電感的加入使超聲波電動機的串聯共振頻率降低，但并不影響并聯共振頻率即超聲波電動機本身的共振頻率，同時會在高于并聯共振頻率下出現另一串聯共振頻率［2］。串聯電感匹配相對于其它匹配兼顧了濾波和機電耦合系數，因此在匹配電路中得到了較廣泛的應用。

圖8 并聯電感匹配等效電路圖

圖9 串聯電感匹配等效電路圖

電感 －電容匹配［13］等效電路如圖10所示，相當于串聯電感匹配并聯了一個電容。

圖10 電感－電容匹配等效電路

當L1、C1滿足以下值時:

系統阻抗Z呈現為純電阻。

T型網絡匹配［12］如圖11所示。T型網絡匹配相當于在串聯電感匹配的電路基礎之上再并聯了一個電容和串聯了一個電感，對解決調阻不明顯問題很有效。

圖11 T型網絡匹配等效電路

當匹配值滿足式(4)時，等效阻抗為純阻抗:

超聲波電動機正常工作時，通常認為電機工作在諧振和反諧振點之間［1，14］，也就近似認為正常工作時的等效電路為超聲波電動機的電阻和電容的并聯，但是由于負載的變化一方面會造成電阻值R的變化，此時如果正弦波不純且電壓波動大就會造成超聲波電動機的輸入電壓波動很大;另一方面由于超聲波電動機原理和其結構上的特點，在負載變化或者外界強電場環境時整個等效電路的電容值C∑是不斷變化的，根據諧振的理論電容值的變化就將導致固有頻率的漂移，對驅動的影響是很大的。所以在進行匹配電路設計時還應該考慮到負載的影響。

以上匹配電路在一定程度上改善了驅動電路與超聲波電動機的耦合度和功率因數等問題，但如果想要在電機穩定運行的基礎之上實現一定精度的定位或速度控制［15］，進行伺服控制研究，就需要采用閉環控制。

4 驅動技術的發展方向

隨著超聲波電動機應用的日益廣泛，對超聲波電動機驅動器也提出了很多新的要求。

(1)從現有的超聲波電動機的驅動技術來講，一般旋轉型行波超聲波電動機的效率在30%左右，且輸出不超過50 W，因此希望從驅動器在這一方面提高超聲波電動機的效率，增大特定場所超聲波電動機的輸出功率，提高電機運行時的穩定并向模塊化和智能化的方向發展。

(2)根據很多微型領域對超聲波電動機的需要，就對驅動電路的微型化提出了要求，實現控制系統和驅動電路的微型化，比如美國的納米衛星。

(3)從超聲波電動機及超聲波電動機驅動器的非線性來講，超聲波電動機在運行的過程中的非線性現象主要表現在壓電材料非線性引起的定子振動的非線性、驅動電路的非線性、定轉子之間接觸引起的非線性等［3］。其中首先要特別注意壓電陶瓷非線性作用引起被激勵體出現的非線性系統強迫振動的跳躍現象［3］。在利用頻率調節超聲波電動機運行速度時，當驅動頻率從大向小調節時，電機的速度會增加，但是到了某一頻率時電機的速度會突然減小，甚至為零，若此時再增大頻率，電機的運行速度也不會增加很快［3］。所以在超聲波電動機驅動器的設計中，要有針對性的使驅動頻率大于跳躍頻率，以免運行時出現速度跳躍。其次是要注意驅動電路本身的非線性特征。

(4)以壓電變壓器代替傳統的電磁式變壓器。傳統的電磁式電機往往有效率低、有電磁噪聲、體積大和重量大等缺點，不利于驅動器的集成化和微型化，并且電磁式變壓器也讓超聲波電動機不受電磁干擾的優點打折扣，所以壓電變壓器就成了一種新的選擇，其高輸出電壓、無磁場干擾和結構緊湊的優點相對于傳統的電磁式變壓器有很大的優勢。

(5)從驅動器的通用性來講，對于不同的超聲波電動機，有不同的匹配電路參數，并且正因為這種匹配使得輸出信號的頻率、電壓、相位相互耦，合伴隨著電機參數的變化而變化，制約了通用性的發展。所以，對于通用性的要求應該配置匹配參數可調。文獻［16］設計了一種基于PSoC的新型驅動器，實現了控制量的解耦，其電壓幅值、頻率可獨立調節。

(6)實現超聲波電動機的精確控制就會涉及到閉環回路，而通常的做法是采用頻率跟蹤控制。在文獻［1］的研究中，加入了頻率跟蹤的閉環控制可以將電機的速度變化穩定在5%以內。

5 結 語

超聲波電動機的運用離不開驅動器，并且在很大程度上驅動器性能的優劣決定了超聲波電動機的發展。近年來，國內外超聲波電動機領域的研究人員在驅動技術方面取得了很多進展，包括基于DDS技術的信號發生器、壓電變壓器、LLCC諧振升壓電路等。從驅動控制的角度來講，驅動器應該要結合超聲波電動機本身相對傳統電磁電機的優勢去設計，并且向著微型化、集成化、通用化、充分利用數字技術向數字化和智能化的方向發展。

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