引言
本課題組研制的直徑 30mm 行波超聲波電機額定轉速 90 r/min，最大轉矩達0.1NM，已經具有比較好的實用價值。但是驅動超聲波電機需要兩相高頻正弦電壓[1]，且幅值較大，一般采用變壓器升壓的方式驅動超聲波電機，這樣的好處在于變壓器的升壓倍數不受驅動信號頻率的影響，驅動頻率的可調范圍很大。方便對超聲波電機進行調頻控制[2]。隨之帶來的缺點就是由于變壓器的存在而使得驅動電路的體積較大。在實用性的驅動電路中，不需要做調頻控制的情況下，為了克服驅動電路體積大這一缺點，采用 LC 諧振升壓的方法取得電機運行所需的激勵信號，省略了變壓器環節，使得驅動電路更加小巧實用。
1 驅動機理
超聲波電機是利用逆壓電效應，通過定轉子之間的摩擦耦合，將電能轉化為機械能的裝置[3-4]。其驅動的關鍵在于定子與轉子的接觸表面質點產生的橢圓運動。對于行波型超聲波電機，驅動機理可以見圖 1、圖 2。
壓電材料預先處于被極化的狀態，隨著電極上的電壓的變化，壓電材料的形變也會相應加大和減小，從而激勵出定子表面的質點振動。即便不改變加在壓電材料上的電壓的極性，只是改變所加電壓的幅值，定子表面質點仍然存在振動的趨勢，形成定子表面的行波，從而驅動超聲波電機運行。
2 驅動電路的設計
由以上對超聲波電機驅動機理的分析，可以使超聲波電機的驅動電路得到簡化。簡化后的驅動電路如圖 3。由于兩相電路形式相同，這里只畫出其中一相。
同一個橋臂上的兩個開關管 Q1 和 Q2 的開通關斷互補，且占空比為 50%�？旎謴投䴓O管 D1 和 D2 為電感 L 提供續流通路。作為負載的超聲波電機可以等效為一個阻容性負載[5]，LC 連同電機本身的電容一起構成選頻網絡，將方波電壓波形調整為正弦電壓波形。所以驅動電路可以進一步簡化為圖 4。
其中等效電容與等效電阻的值可以通過 LCR 測量儀取得。本實驗使用的電機的并聯等效電阻為 1.3MΩ，并聯等效電容為 2.2 nF。根據圖 4，可知施加到超聲波電機上的電壓向量表示為式（1）（式中Cq 為圖 4 中 C 與 Cm 的并聯。下同）
3 實驗結果
以上計算值可以作為元件參數的選取提供了依據，因電機的電容在電機運行后會有一定幅度的變化，為了穩定電路的輸出，同時為了取得較高的諧振品質因數和更好的濾除電源側的高次諧波，實際使用的 LC 參數還要在理論數據的基礎根據實際做小幅調整。實驗選取L= 2.7mH;C= 2.2nF。其中 C 與電機的等效電容 Cm 相同�？梢愿纳齐姍C電容變化對電路造成的影響。又不至于耗費過多的無功功率。L 遠大于 C，因此 LC 諧振的選頻特性很好。電機輸入端的實驗波形圖 5。此時電機正常運轉。
由圖 5 可知，LC 諧振可以取得電機運轉所需的電壓，其中示波器 CH1 所示的一相電壓基本無極性的改變，證明了含有直流偏置的交流電壓可以驅動行波超聲波電機的觀點。CH1與 CH2 的差別是由于電機電容隨電機運轉的狀態會產生一定程度變化，且電機兩相等效電容參數存在差異，所以導致兩相波形會有比較大的不同。提高電機的制造工藝，或為每一相電路做更精細的電路匹配，會使這個差異減小。圖 6 為 53.7 f kHz 的情況下，輸出電壓波形。對比圖 5 可知輸出電壓的幅值對驅動頻率比較敏感。不過對于不需要調速的應用場合，LC 諧振型驅動電路的小體積優勢比較明顯。
4 結論
本文通過對行波型超聲波電機的驅動機理分析，設計了一種單橋臂 LC 諧振升壓的實用型驅動電路，根據串聯諧振的電路特性，選取了適當的電路參數，成功對超聲波電機實現了驅動，省略了通常驅動電路中所使用的變壓器環節，有效減小了電路體積。由于驅動電壓對頻率敏感，為了穩定驅動電路的性能，可加入頻率跟蹤[6]環節以取得穩定的電壓輸出。
[參考文獻]
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[6] 甘云華，金 龍，胡敏強，等.基于鎖相環的超聲波電機頻率跟蹤控制技術[J].哈爾濱理工大學學報,2009年 02 期:66~70.
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