超聲電動機（USM）是近幾年研制開發(fā)的一種新型微驅(qū)動器。USM突破了傳統(tǒng)電動機的電磁耦合概念，而是依靠壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)能量的傳遞。USM與傳統(tǒng)電動機比較主要特點是體積小、重量輕、不受磁場影響、低速大扭矩[1]。因此，USM在微型機械、精密加工、汽車和機電一體化等領(lǐng)域中有著良好的應(yīng)用前景。由于USM為容性負載，如何解決USM驅(qū)動系統(tǒng)中的電源問題，已引起從事USM研究與應(yīng)用的科技工作者的廣泛關(guān)注[2][3]。本文針對行波超聲電動機驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理，采用了先進的開關(guān)電源技術(shù)，以推挽式逆變器作為主電路，輔以脈寬調(diào)制（PWM）控制電路和MOSFET驅(qū)動電路，設(shè)計了一種新型USM驅(qū)動電源[4]。實驗結(jié)果表明該電源既可滿足驅(qū)動系統(tǒng)同頻同幅、相位差90°的要求，且可自動跟蹤USM的諧振頻率，具有良好的柔性控制性能。
1 驅(qū)動控制系統(tǒng)方案
行波USM不同于傳統(tǒng)電動機，為容性負載，負載電壓不能突變。為了使行波USM定子彈性產(chǎn)生周向行波，在金屬圓板一側(cè)周向部分膠結(jié)空間差1/4波長的兩組壓電陶瓷陣列。當兩組相位差90°的交流信號分別加在兩組陶瓷陣列時，可在彈性體周圍形成移動彈性行波。驅(qū)動系統(tǒng)原理如圖1所示。其主要由方波發(fā)生電路，逆變主電路，頻率自動跟蹤電路，驅(qū)動電路和功率放大電路等部分組成。
圖1 行波USM驅(qū)動系統(tǒng)原理框圖
2 驅(qū)動電源組成及原理
由驅(qū)動系統(tǒng)原理可知，驅(qū)動系統(tǒng)要求驅(qū)動電源的設(shè)計應(yīng)使壓電振子環(huán)產(chǎn)生單向行波，且為同頻率同幅度互差90°的方波信號，故需要驅(qū)動電源有兩路輸出，電源的頻率應(yīng)與USM的固有頻率相一致。USM的固有頻率及起振電壓的大小則由其幾何尺寸決定。根據(jù)電源設(shè)計要求：輸入電壓可為220V、頻率為50Hz的市電，或者為15V的直流電壓；輸出電壓為240V的方波信號、頻率可調(diào)節(jié)；工作頻率為50kHz；功率為100W；適應(yīng)電動機工作環(huán)境和攜帶方便。本文設(shè)計的USM的驅(qū)動電源，如圖2所示。主要由控制電路、功率驅(qū)動電路、逆變主電路、反饋電路和保護電路等部分組成。
圖2 驅(qū)動電源組成框圖
2．1 PWM控制電路
在控制電路規(guī)定的周期（頻率）范圍內(nèi)，將直流電壓調(diào)制為等幅不同脈寬的系列交流輸出脈沖信號。本文PWM控制電路以兩片集成脈寬調(diào)制芯片SG3525為核心，輔以部分外圍電路構(gòu)成，如圖3所示。所需要的兩路信號可控制電動機的正反轉(zhuǎn)，并保持可控的相位關(guān)系。當同步輸入端沒有外部脈沖時，通過CT、RT端的外接電阻、電容可與外部電路構(gòu)成振蕩電路，電源的輸出頻率為
f= 
（1）
式中：C1、R4、R5為振蕩器外接電容與電阻。
圖3 控制電路原理
電路中CT端的放電時間以及死區(qū)時間由R5和C1決定。當同步輸入端外接輸入脈沖時，整個振蕩電路完全受此脈沖控制。因此，振蕩輸出頻率與該脈沖則保持一致。本電源將單片機系統(tǒng)產(chǎn)生的方波信號作為外接輸入脈沖加在同步輸入端，這樣電源輸出頻率可由方波信號控制，以實現(xiàn)頻率自動跟蹤。
2．2 逆變主電路
逆變電路采用推挽式拓撲結(jié)構(gòu)，使用MOSFET作為開關(guān)器件，采用復(fù)合式緩沖電路限制電壓和電流變化率，如圖4所示。
圖4 逆變主電路
在PWM控制電路的控制下開關(guān)器件（S1和S2）交替工作，在輸出端得到交變電壓。扼流線圈L1可防止用占空比D控制時S1、S2的同時關(guān)斷，有效地提高了電源的穩(wěn)定性。
關(guān)于主電路的效率分析：
忽略MOSFET的開關(guān)損耗，并設(shè)定D=100％，則開關(guān)電源的輸入功率PI為
PI=UIII （2）
式中：UI、II分別為開關(guān)電源的輸入電壓和電流。
輸出功率PO為
PO=UOIO （3）
式中：UO、IO分別為開關(guān)電源的輸出電壓和電流。
又變壓器的變比n為
n≈
(4)
式中：UCES為MOSFT的飽和壓降。
則推挽電路的效率η為
η=
==
≈
(5)
如果忽略開關(guān)的通態(tài)損耗，則總開關(guān)損耗Δp為
Δp=pr＋pf==(UC＋2UCES)IC (6)
式中：UC為MOSFET的漏極電壓；
tr、tf為脈沖的上升和下降時間。
本文選擇tr、tf較小、開關(guān)性能較好的MOSFET管，并根據(jù)USM的具體要求取D=40％，主電路的效率為75％。
2．3 過電流保護電路
過電流保護電路主要任務(wù)是檢測輸出電流的變化，并將其反饋到SG3525的控制端，在電流較大時可靠關(guān)斷系統(tǒng)，以避免器件和電動機的損壞。電路原理如圖5所示。
圖5 過流保護電路原理
電路中電阻R1、R2對輸出進行采樣，當電路中電流增大時，采樣電壓U1隨之增大，該信號反饋到3525的輸入端，及時調(diào)整輸出電壓UF。輸入電壓U1為正時，輸出電壓UF為
(6)
輸入電壓U1為負時，輸出電壓UF為
(7)
適當選擇各電阻值，過電流時可以可靠地關(guān)斷控制電路。
3 實驗及結(jié)語
利用本驅(qū)動電源對一臺行波USM樣機進行了實驗。電源頻率可由信號控制,其輸出電壓為240V，峰值電壓為248.5V，紋波抑制比為16.51dB。SG3525控制端和電源輸出的電壓波形，如圖6所示。實驗結(jié)果表明，電源工作可靠，跟蹤頻率正確，具有較強的抗干擾能力。
(a) SG3525控制端輸出波形
(b) 電源輸出電壓波形
圖6 電源輸出波形
1）由于本系統(tǒng)采用單片機控制，電源輸入的方波信號控制方便，故電源的輸出頻率可自動跟蹤USM的諧振頻率。
2）采用8254檢測相位差，分辨率達0.1μs，提高了電源的工作精度。
3）電源可實現(xiàn)欠壓鎖定和軟啟動，具有較好的防沖擊作用也可用于驅(qū)動其它大功率的USM。