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。
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。
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。
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Cq 为图 4 中 C 与 Cm 的并联。下同）
3 实验结果
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。
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 53.7 f kHz 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
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]
[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.
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