超聲波電動機(jī)驅(qū)動控制綜述

羅辭勇，張 帆，盧 斌，肖發(fā)福

(重慶大學(xué)，重慶 400044)

0 引 言

超聲波電動機(jī)是近些年來發(fā)展起來的一種新型電機(jī)，它不同于傳統(tǒng)的電磁式電機(jī)。超聲波電動機(jī)的工作原理是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，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(fā)其微幅振動，再通過定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用最后將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。由于驅(qū)動超聲波電動機(jī)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(jī)功率驅(qū)動電路的功能是將驅(qū)動器的控制信號轉(zhuǎn)換為可驅(qū)動電機(jī)正常運行的功率信號。驅(qū)動器(有時也稱之為驅(qū)動電源)性能的優(yōu)劣，不僅關(guān)系到超聲波電動機(jī)的輸出性能，也會影響其實際應(yīng)用［1－2］。

根據(jù)超聲波電動機(jī)自身的特點，超聲波電動機(jī)在運行的過程中應(yīng)該重點考慮驅(qū)動器輸出的電壓幅值、頻率和相位差，加上傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計要求，因此超聲波電動機(jī)驅(qū)動器應(yīng)具備以下功能:

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

(2)驅(qū)動器的頻率應(yīng)該根據(jù)超聲波電動機(jī)的驅(qū)動頻率可調(diào)(一般20～100 kHz)。

(3)驅(qū)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(xù)可調(diào)的驅(qū)動信號。

(4)可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。

(5)由于超聲波電動機(jī)為容性負(fù)載，驅(qū)動器需要進(jìn)行阻抗匹配。

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

超聲波電動機(jī)對于驅(qū)動電路而言是一個容性負(fù)載，其等效電路如圖1所示。在一般情況下都認(rèn)為Cd為靜態(tài)電容，但是當(dāng)壓電陶瓷在強(qiáng)電場的作用下，電容不是靜態(tài)電容且電容值不穩(wěn)定，此時電源驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)，會引起作用在電機(jī)兩端電壓不穩(wěn)定，且其幅值也會時大時小［3］。

圖1 超聲波電動機(jī)等效電路圖

超聲波電機(jī)驅(qū)動電路包括可調(diào)頻率發(fā)生器、分頻分相器、功放電路和匹配電路［1］。圖2為驅(qū)動器的基本結(jié)構(gòu)框圖，其中最后驅(qū)動超聲波電動機(jī)的驅(qū)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(jī)驅(qū)動原理的基礎(chǔ)之上，比較全面地闡述了驅(qū)動控制電路各個部分的組成、目前的主要技術(shù)和發(fā)展方向。

圖2 驅(qū)動器的基本結(jié)構(gòu)框圖

1 驅(qū)動信號的產(chǎn)生

根據(jù)超聲波電機(jī)的特性，超聲波電機(jī)對于驅(qū)動信號有特定的要求，傳統(tǒng)的驅(qū)動信號產(chǎn)生電路包括了可調(diào)頻率發(fā)生器、分頻分相器?？烧{(diào)頻率發(fā)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(fā)生器產(chǎn)生的單相信號轉(zhuǎn)換成兩相信號，文獻(xiàn)［1］介紹了移位寄存器構(gòu)成的分相器CD10194和復(fù)雜可編程邏輯器件構(gòu)成的分相器。文獻(xiàn)［5］提供了多種基于單片機(jī)提取輸出波形的方法，并且隨著單片機(jī)和DSP性價比的提高，使用MCU作為頻率發(fā)生器會逐漸成為主流。

傳統(tǒng)的超聲波電動機(jī)驅(qū)動存在著體積大、性能單一、難實現(xiàn)頻率連續(xù)可調(diào)等問題，而近年來發(fā)展起來的數(shù)字直接合成技術(shù)(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(chǔ)，先由DDS信號發(fā)生單元產(chǎn)生兩路獨立的正弦信號，然后這兩路信號分別經(jīng)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(qū)動超聲波電動機(jī)，其峰峰值可以達(dá)到250～300 V［5］，但此方法使得驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電源效率低且成本較高。DDS是信號發(fā)生單元，其芯片輸出的是數(shù)字化的正弦波，因此，還需經(jīng)過高速D/A轉(zhuǎn)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(xiàn)［8］驅(qū)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(chǎn)生最高62.5 MHz的信號，直接控制精度11.25度，在實際應(yīng)用中達(dá)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(qū)動功率放大電路

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

開關(guān)逆變型驅(qū)動電路是基于逆壓電原理的超聲波電動機(jī)驅(qū)動電路，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同和應(yīng)用要求的不同，有不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用MOSFET構(gòu)成的開關(guān)逆變驅(qū)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(guān)電路是開關(guān)逆變電路的典型，所以本文只介紹了推挽式開關(guān)電路。圖4為推挽電路的原理圖，其中Q1、Q2交替導(dǎo)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(yōu)點是電路對稱，兩個開關(guān)元件的驅(qū)動電路具有公共地，不需要隔離驅(qū)動，可以簡化電路設(shè)計［5］。推挽式變換器具有最簡單的電路結(jié)構(gòu)，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(jī)驅(qū)動，但考慮到安全問題，每個開關(guān)管的額定電壓應(yīng)該為輸入電壓的3.3倍［1，5］。這種電路結(jié)構(gòu)在日本新生公司的超聲波電動機(jī)驅(qū)動器、東南大學(xué)、南京航空航天大學(xué)所做的超聲波電動機(jī)中得到了廣泛的使用［5］。

以推挽電路為典型的開關(guān)逆變型驅(qū)動電路不允許兩個串聯(lián)的開關(guān)管同時導(dǎo)通，否則會損壞開關(guān)管，不能使用50%占空比的方波信號進(jìn)行驅(qū)動，且必須為兩路驅(qū)動信號設(shè)置死區(qū)［1］。

諧振升壓式驅(qū)動電路是根據(jù)超聲波電動機(jī)的容性負(fù)載特性，將超聲波電動機(jī)本身作為電路的組成部分，匹配其他元件構(gòu)成自激振蕩電路，參與驅(qū)動信號的產(chǎn)生［10］。充分利用諧振升壓的無變壓器式驅(qū)動電路不僅減少了驅(qū)動器的體積，還為驅(qū)動器的通用性和微型化創(chuàng)造了條件。根據(jù)諧振電路的原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(jī)本身相對于驅(qū)動電路是一個容性負(fù)載，因此只需要串聯(lián)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(dāng)開關(guān)SW1閉合時，電源向電感L儲能;當(dāng)開關(guān)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(shù)傳統(tǒng)驅(qū)動方式中，兩相電路的品質(zhì)因數(shù)不同且隨時間變化。當(dāng)串聯(lián)諧振逆變器的開關(guān)頻率和諧振頻率趨于一直時，品質(zhì)因數(shù)的變化將引起電壓增益的嚴(yán)重畸變，并導(dǎo)致兩相輸出電壓在同樣的開關(guān)頻率下出現(xiàn)不穩(wěn)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(tǒng)的諧振電路進(jìn)行拓?fù)洌?］。LLCC諧振升壓電路包含了三階LCC型和LLC型逆變器的優(yōu)點，其原理圖如圖6所示，該諧振電路利用了超聲波電動機(jī)本身容性負(fù)載的特性，LS、CS構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，同時 LP、CP構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。

圖6 LLCC諧振升壓電路

文獻(xiàn)［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(jī)升壓電路:該電路的原理圖如圖7所示。以開關(guān)電源控制芯片UC3842為核心，采用雙副邊繞組變壓器結(jié)合整流電路輸出正負(fù)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(guān)斷時漏感所引起的電壓尖峰，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器漏感能量轉(zhuǎn)移到電容C上，使電壓始終穩(wěn)定在設(shè)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(qū)動電路設(shè)計中有著重要的作用，一方面可以改善驅(qū)動電路與超聲波電動機(jī)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(shù)角，達(dá)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(jī)系統(tǒng)中起到調(diào)諧、變阻、濾波的作用［12］。阻抗匹配一般有并聯(lián)電感、串聯(lián)電感、電感－電容匹配和T型網(wǎng)絡(luò)匹配等方法。

并聯(lián)電感匹配就是在超聲波電動機(jī)的輸入端口并聯(lián)一定值的電感，如圖8所示。當(dāng)匹配電感與超聲波電動機(jī)并聯(lián)時，超聲波電動機(jī)的串聯(lián)共振頻率不變，但并聯(lián)共振頻率會升高［2］。超聲波電動機(jī)系統(tǒng)的有功電阻在采用并聯(lián)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(lián)電感相對于并聯(lián)電感不僅有濾波上的優(yōu)點，還能兼顧調(diào)諧作用［12］，所以較之于串聯(lián)電感匹配，并聯(lián)電感匹配并不常用。

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

圖8 并聯(lián)電感匹配等效電路圖

圖9 串聯(lián)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(dāng)于串聯(lián)電感匹配并聯(lián)了一個電容。

圖10 電感－電容匹配等效電路

當(dāng)L1、C1滿足以下值時:

系統(tǒng)阻抗Z呈現(xiàn)為純電阻。

T型網(wǎng)絡(luò)匹配［12］如圖11所示。T型網(wǎng)絡(luò)匹配相當(dāng)于在串聯(lián)電感匹配的電路基礎(chǔ)之上再并聯(lián)了一個電容和串聯(lián)了一個電感，對解決調(diào)阻不明顯問題很有效。

圖11 T型網(wǎng)絡(luò)匹配等效電路

當(dāng)匹配值滿足式(4)時，等效阻抗為純阻抗:

超聲波電動機(jī)正常工作時，通常認(rèn)為電機(jī)工作在諧振和反諧振點之間［1，14］，也就近似認(rèn)為正常工作時的等效電路為超聲波電動機(jī)的電阻和電容的并聯(lián)，但是由于負(fù)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(jī)的輸入電壓波動很大;另一方面由于超聲波電動機(jī)原理和其結(jié)構(gòu)上的特點，在負(fù)載變化或者外界強(qiáng)電場環(huán)境時整個等效電路的電容值C∑是不斷變化的，根據(jù)諧振的理論電容值的變化就將導(dǎo)致固有頻率的漂移，對驅(qū)動的影響是很大的。所以在進(jìn)行匹配電路設(shè)計時還應(yīng)該考慮到負(fù)載的影響。

以上匹配電路在一定程度上改善了驅(qū)動電路與超聲波電動機(jī)的耦合度和功率因數(shù)等問題，但如果想要在電機(jī)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)之上實現(xiàn)一定精度的定位或速度控制［15］，進(jìn)行伺服控制研究，就需要采用閉環(huán)控制。

4 驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展方向

隨著超聲波電動機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，對超聲波電動機(jī)驅(qū)動器也提出了很多新的要求。

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

(2)根據(jù)很多微型領(lǐng)域?qū)Τ暡妱訖C(jī)的需要，就對驅(qū)動電路的微型化提出了要求，實現(xiàn)控制系統(tǒng)和驅(qū)動電路的微型化，比如美國的納米衛(wèi)星。

(3)從超聲波電動機(jī)及超聲波電動機(jī)驅(qū)動器的非線性來講，超聲波電動機(jī)在運行的過程中的非線性現(xiàn)象主要表現(xiàn)在壓電材料非線性引起的定子振動的非線性、驅(qū)動電路的非線性、定轉(zhuǎn)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(xiàn)的非線性系統(tǒng)強(qiáng)迫振動的跳躍現(xiàn)象［3］。在利用頻率調(diào)節(jié)超聲波電動機(jī)運行速度時，當(dāng)驅(qū)動頻率從大向小調(diào)節(jié)時，電機(jī)的速度會增加，但是到了某一頻率時電機(jī)的速度會突然減小，甚至為零，若此時再增大頻率，電機(jī)的運行速度也不會增加很快［3］。所以在超聲波電動機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計中，要有針對性的使驅(qū)動頻率大于跳躍頻率，以免運行時出現(xiàn)速度跳躍。其次是要注意驅(qū)動電路本身的非線性特征。

(4)以壓電變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁式變壓器。傳統(tǒng)的電磁式電機(jī)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(qū)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(jī)不受電磁干擾的優(yōu)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(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點相對于傳統(tǒng)的電磁式變壓器有很大的優(yōu)勢。

(5)從驅(qū)動器的通用性來講，對于不同的超聲波電動機(jī)，有不同的匹配電路參數(shù)，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(jī)參數(shù)的變化而變化，制約了通用性的發(fā)展。所以，對于通用性的要求應(yīng)該配置匹配參數(shù)可調(diào)。文獻(xiàn)［16］設(shè)計了一種基于PSoC的新型驅(qū)動器，實現(xiàn)了控制量的解耦，其電壓幅值、頻率可獨立調(diào)節(jié)。

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

5 結(jié) 語

超聲波電動機(jī)的運用離不開驅(qū)動器，并且在很大程度上驅(qū)動器性能的優(yōu)劣決定了超聲波電動機(jī)的發(fā)展。近年來，國內(nèi)外超聲波電動機(jī)領(lǐng)域的研究人員在驅(qū)動技術(shù)方面取得了很多進(jìn)展，包括基于DDS技術(shù)的信號發(fā)生器、壓電變壓器、LLCC諧振升壓電路等。從驅(qū)動控制的角度來講，驅(qū)動器應(yīng)該要結(jié)合超聲波電動機(jī)本身相對傳統(tǒng)電磁電機(jī)的優(yōu)勢去設(shè)計，并且向著微型化、集成化、通用化、充分利用數(shù)字技術(shù)向數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。

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