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超声波电机谐振升压式驱动技术研究

摘 要：该文通过超声波电机的等效电路，提出了无变压器驱动的谐振升压式驱动电路。对该电路进行理论分析和PSPICE仿真后，得出输出电压同驱动占空比的关系近似为线性，同串联电感的平方根成反比，并通过实验对仿真结果进行了验证。应用此电路驱动定子直径为30m以合适测试部件的形状m的环形行波超声波电机，证明此电路在超声波电机的小功率驱动控制中具有实用性和可靠性。与目前通常采用变压器的超声波电机控制器相比，使用该电路装置的体积比原来至少可以减少1/3，重量减轻1/2，制作成本降低1/5，便于集成化生产。

关键词：超声波电机；谐振升压；等效电路；占空比 1 引言

超声波电机(Ultrasonic Motor，简称USM) 一般由定子（由压人造革电陶瓷和金属弹性过塑机材料制成）和转子（摩擦材料及金属制成）组成[1]。在定子压电振子上外施高频交流电压激励时，利用压电陶瓷逆压电效应产生的超声振动，将这种振动通过定子和转子间的摩擦耦合来直接驱动转子旋转[1]。其工作原理完全不同于电磁电机，具有低速大转矩、功率密度大，无电磁干扰和噪声，结构简单紧凑，形式灵活多样等特点，国外已经在军事航天、办公自动化、工业控制等领域取得了良好的应用，其中，佳能照相发挥引领带动作用机将超声波电机用于驱动光学镜头，即是成功应用的例子。

要驱动超声波电机，压电陶瓷就需要由大振幅的高频正弦电压来激励。实现方法有两种：一种是采用正弦波信号直接放大输入超声波电机，但放大器需要高电压供电，结构复杂，驱动电源效率低，而且就驱动超声波电机而言，前级的正弦波也没有必要；另一种是利用变压器来实现电压升压、能量传递、阻抗匹配和电源隔离，这种方法目前在行波型超声波电机中使用比较广泛，但变压器必须与不同型号的超声波电机匹配，通用性差，而且变压器的存在极大地阻碍了电源装置的小型化，影响超声波电机在特定场合的应用和产品开发。当产可作为1种优良的高份子聚合物固沙材料品要求体积小、重量轻（如照相机、便携设备等）时，使用变压器的济源超声波电机驱动控制装置几乎是不可能的。基于超声波电机的特性，利用电路谐振实现无变压器驱动超声波电机，解决了这一工程问题。

2 超声波电机的等效电路

超声波电机在谐振频率附近，可以用一个等效电路来代替[2]，如图1所示。其中Cd是压电陶瓷介电性能引起的夹持电容，Lm是定子质量效应的等效电感，Cm是定子弹性效应的等效电容，Rm是定子内机械损耗的等效电阻。这些参数可以通过测量获得（如应用HP4192阻抗特性分析仪等），本文中的参数是通过定子导纳的奈奎斯特图和波特图[3]计算获得的。

为分析方便，在不改变电路外特性的前提下，可将图1等效变换成图2[3]。变换后的超声波电机等效电路简化为RC并联电路，其各参数间的关系如下： 3 谐振升压式驱动电路

3.1 基本电路图

自激振荡的电针对部份电液伺服式实验机的用户有申请NADCAP(美国航空航天和国防合同方授信项目)认证的需求路如图3所示，其中方框内的升压主电路如图4所示[4纸箱刀片,5]，L1为电感。假设L1、Cd构成谐振电路，Lm、Cm、Rm串联看作负载[6]，则电感L1、开关SW1和固有电容Cd构成一升压电路。当SW1闭合时，L1通过电源储能，当SW1断开时，L1的电能部分释放到Cd上。由于LC谐振，在USM的输入端产生高电压uc，通过开关SW1的切换，在超声波电机的输入端就可以获得高电压周期信号。图4中，L1与Cd组成的LC谐振电路完成升压和滤波的功能，使USM获得高频电压驱动信号。图中二极管D为整流元件，阻止电流回流，使驱动电压能够保持在一个比较高的电压水平上。由下面分析可知，满足一定条件时，D可以省略。电感值可由 估算得到，也可由实验获得，当电感值无法调试合适时，可在开关间并联电容，以调节电感值。3.2 全电路理论分析

假设t=t0时，i=