中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 一种基于串联谐振升压原理的超声波电机 驱动电路# 潘鹏，胡敏强，徐志科* （东南大学电气工程学院，南京 210096） 摘要：在行波型超声波电机的实际应用中，需要减小驱动电路的体积，提高驱动电路的实用 性，本文分析了行波超声波电机的驱动机理，取得了含有直流偏置的交变电压仍然可以驱动 行波超声波电机的理论支持，并基于 LC 串联谐振的升压、选频特性和行波超声波电机的等 效电路，设计了一种行波超声波电机驱动电路。根据 LC 网络的幅频特性，选择电路参数， 并给出实验波形，验证了该驱动方法的可行性。同时因省去了通常超声波电机驱动电路中的 变压器环节，有效的减小了电路的体积。 关键词： 超声波电机；驱动电路；串联谐振 中图分类号：TM35 A kind of Ultrasonic motor drive circuit based on series resonant Pan Peng, Hu Minqiang, Xu Zhike (School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096) Abstract: For real application of Traveling Wave Ultrasonic Motor (USM), it is necessary to decrease the size of the drive circuit. This paper analyzed the driving mechanism of the USM, obtained that even the AC voltage has DC bias, it can also drive the USM to be running. Based on LC series resonant and the USM equivalent circuit, a kind of drive circuit scheme has been designed. The parameter of the circuit is depend on the LC amplitude-frequency characteristics. In the end, this paper showed the experiment result in figures, it proved the feasibility of this drive circuit scheme. At the same time, this scheme eliminated the use of transformer, effectively reduced the size of circuit. Key words: Ultrasonic motor; drive circuit; series resonant 0 引言 本课题组研制的直径 30mm 行波超声波电机额定转速 90 r/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 基金项目：双定子夹持型三自由度超声波电机的研究，2008.1-2010.12，博士学科点专项科研基金资助项目， 20070286015 作者简介：潘鹏（1983-），男，博士研究生，主要研究方向为超声波电机驱动及其伺服控制系统. E-mail: billpan@126.com - 1 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 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。 图 1 超声波电机机电转换示意图 图 2 定子表面行波的形成 Fig. 1 schematic diagram electro-mechanical transformation Fig.2 the formation of traveling wave 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。 图 3 单桥臂式驱动结构 图 4 等效驱动电路 Fig. 3 single bridge scheme of drive circuit 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。 Fig. 4 the equivalent circuit 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 2.2 nF。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 qC 为图 4 中 C 与 Cm 的并联。下同） - 2 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn  j 1 * C  q R  1 * C  q  j j L    U  C 在电机的额定驱动频率 似为式（2）。 j 1 C  q  R R  j f   1 C  53.5 q kHz （1）  U * S R 下电阻阻值远大于电容的电抗值。因此式（1）可以近  U C   j 1 C  j L j   q *1 C  q  U S （2） u 电源电压可以表示为 ： s  u d  其中 du 为电源的直流分量，  u  u t t h h  (0 ( T 2     t t ) T 2 0) 为 电源的交流分量。交流分量 tu 经过傅立叶分解可以得到： u t  h 4  (sin t   1 3 sin 3 t   1 5 sin 5 t   1 7 sin 7 t   ...) （3） LC 网络的作用就是要选取 tu 的基波分量并将其放大作为超声波电机的激励，同时抑制其他 高次谐波。根据（2）可以得到 LC 网络的幅频特性为：  A | | |  1  C L q 2 |  1 （4） 所以输出电压幅值近似为 2 。取图 3 中直流电源 Vcc 为 36V 供电，则 18 h  ， 53.5 kHz 的驱动频率下，需要 qLC  时，为基波同相放大， qLC  11.1*10 12 6.59*10 12 为基波 | 1  CL 1  | * h 4  f  6.59*10 12 11.1*10 12 要得到峰峰值 180V 的交流电压，在 qLC  反相放大。 3 实验结果 qLC  其中 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。 - 3 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 5 53.5kHz 输出电压 图 6 53.7kHz 输出电压 Fig. 5 output voltage when f=53.5kHz Fig. 6 output voltage when f=53.7kHz 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 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。 4 结论 53.7 kHz f  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] (References) [1] K Uchino. Piezoelectric actuators and ultrasonic motors[M]. Kluwer Academic Publishers,1997 [2] T Senjyu, H Miyazato, K Uezato. 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] Norddin EI.,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. GAN Yun-hua, JIN Long, HU Min-qiang, et al. Frequency Tracking Technology of Ultrasonic Motor Based on Phase-Locked Loop[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology,2009,vol.2:66~70. - 4 -