本文将与大家分享，ATA-4315功率放大器在串联谐振升压原理超声波电机驱动电路中的应用，希望能对各位工程师有所帮助与启发。

　　引言

　　本课题组研制的直径30mm行波超声波电机额定转速90r/min，最大转矩达0.1NM，已经具有比较好的实用价值。但是驱动超声波电机需要两相高频正弦电压[1]，且幅值较大，一般采用变压器升压的方式驱动超声波电机，这样的好处在于变压器的升压倍数不受驱动信号频率的影响，驱动频率的可调范围很大。方便对超声波电机进行调频控制[2]。随之带来的缺点就是由于变压器的存在而使得驱动电路的体积较大。在实用性的驱动电路中，不需要做调频控制的情况下，为了克服驱动电路体积大这一缺点，采用LC谐振升压的方法取得电机运行所需的激励信号，省略了变压器环节，使得驱动电路更加小巧实用。

　　1驱动机理

　　超声波电机是利用逆压电效应，通过定转子之间的摩擦耦合，将电能转化为机械能的装置[3-4]。其驱动的关键在于定子与转子的接触表面质点产生的椭圆运动。对于行波型超声波电机，驱动机理可以见图1、图2。

　　压电材料预先处于被极化的状态，随着电极上的电压的变化，压电材料的形变也会相应加大和减小，从而激励出定子表面的质点振动。即便不改变加在压电材料上的电压的极性，只是改变所加电压的幅值，定子表面质点仍然存在振动的趋势，形成定子表面的行波，从而驱动超声波电机运行。

　　2驱动电路的设计

　　由以上对超声波电机驱动机理的分析，可以使超声波电机的驱动电路得到简化。简化后的驱动电路如图3。由于两相电路形式相同，这里只画出其中一相。

　　同一个桥臂上的两个开关管Q1和Q2的开通关断互补，且占空比为50%。快恢复二极管D1和D2为电感L提供续流通路。作为负载的超声波电机可以等效为一个阻容性负载[5]，LC连同电机本身的电容一起构成选频网络，将方波电压波形调整为正弦电压波形。所以驱动电路可以进一步简化为图4。

　　其中等效电容与等效电阻的值可以通过LCR测量仪取得。本实验使用的电机的并联等效电阻为1.3MΩ，并联等效电容为2.2nF。根据图4，可知施加到超声波电机上的电压向量表示为式（1）（式中Cq为图4中C与Cm的并联。下同）

　　3实验结果

　　以上计算值可以作为元件参数的选取提供了依据，因电机的电容在电机运行后会有一定幅度的变化，为了稳定电路的输出，同时为了取得较高的谐振品质因数和更好的滤除电源侧的高次谐波，实际使用的LC参数还要在理论数据的基础根据实际做小幅调整。实验选取L=2.7mH;C=2.2nF。其中C与电机的等效电容Cm相同。可以改善电机电容变化对电路造成的影响。又不至于耗费过多的无功功率。L远大于C，因此LC谐振的选频特性很好。电机输入端的实验波形图5。此时电机正常运转。

　　由图5可知，LC谐振可以取得电机运转所需的电压，其中示波器CH1所示的一相电压基本无极性的改变，证明了含有直流偏置的交流电压可以驱动行波超声波电机的观点。CH1与CH2的差别是由于电机电容随电机运转的状态会产生一定程度变化，且电机两相等效电容参数存在差异，所以导致两相波形会有比较大的不同。提高电机的制造工艺，或为每一相电路做更精细的电路匹配，会使这个差异减小。图6为53.7fkHz=的情况下，输出电压波形。对比图5可知输出电压的幅值对驱动频率比较敏感。不过对于不需要调速的应用场合，LC谐振型驱动电路的小体积优势比较明显。

　　ATA-4315高压功率放大器

　　最大输出功率452Wp

　　带宽（-3dB）DC~3MHz

　　最大输出电压310Vp-p（±155Vp）

　　最大输出电流4Arms

　　双极性输出

　　直流偏置0.1V步进可调

　　4结论

　　本文通过对行波型超声波电机的驱动机理分析，设计了一种单桥臂LC谐振升压的实用型驱动电路，根据串联谐振的电路特性，选取了适当的电路参数，成功对超声波电机实现了驱动，省略了通常驱动电路中所使用的变压器环节，有效减小了电路体积。由于驱动电压对频率敏感，为了稳定驱动电路的性能，可加入频率跟踪[6]环节以取得稳定的电压输出。

　　[参考文献]

　　[1]KUchino.Piezoelectric actuators and ultrasonic motors [M].Kluwer Academic Publishers,1997

　　[2]TSenjyu,HMiyazato,KUezato.Quick and precise position control of ultrasonic motors with two control inputs[C],1995,vol.1:415-420.

　　[3]顾菊平.圆柱定子超声波电机及快速定位控制系统[D].南京.东南大学,2003.

　　[4]胡敏强,金龙,顾菊平.超声波电机原理与设计[M].北京,科学出版社:2005.

　　[5]NorddinEI.,Hybrid Modeling of a Travelling wave Piezoelectric Motor[D].Dep.of Control Engineering Aalborg Universty,2000.

　　[6]甘云华，金龙，胡敏强，等.基于锁相环的超声波电机频率跟踪控制技术[J].哈尔滨理工大学学报,2009年02期:66~70.

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