超声波电机谐振升压式驱动技术研究音箱支架套头毛衣船型开关铁尺水轮机x

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（由压电陶瓷和金属弹性材料制成）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

超声波电机蓝牙耳机在谐振频率附近，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西服奎斯特图和波特图[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[4,5]，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U发热片SM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=