超聲波電機推挽式驅動電源的設計制作

林星陵， 陳建毅

（廈門城市職業學院，福建 廈門 361008）

0 引言

超聲波電機是近幾十年來發展起來的一種新型電機，其工作原理與傳統電磁電機不同，它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應激發超聲振動，借助彈性體諧振放大，再通過摩擦耦合產生旋轉運動或直線運動。與傳統電機相比，超聲波電機有兩個顯著不同，一是超聲波電機的驅動需要超聲頻率，二是由于壓電材料具有容性負載的特性，不同于傳統電機的感性或阻性負載。因此，需為超聲波電機設計專門的驅動電源［1-4］。

1 總體設計方案

超聲波電機的驅動電路按相數可分為單相、兩相與三相。對于多數超聲波電機而言，由兩相頻率幅值相等、相位差為90°（或可調）的高頻交變信號來驅動壓電振子，電機便可正常工作［1，5-6］。本文將設計并制作一套輸出頻率可調、輸出電壓可調的驅動電源。

利用555定時器接成的自激多諧振蕩器方式，以此來產生高頻方波信號，同時采用D觸發器實現信號分頻和反向，產生兩路相位上相差90°的方波信號，通過推挽逆變式電路放大驅動信號的電壓，滿足驅動超聲波電機所需的電壓要求，考慮到超聲波電機是個容性負載，所以在驅動電路加入串聯電感匹配。

2 升壓方案

與其他升壓方案比，推挽式逆變器電路結構相對簡單，驅動相對簡單，且由于超聲波電機通常在數碼相機、車窗控制領域內作為伺服電機使用，其驅動一般都為低壓直流電源供電，推挽型電路比較合適［1］。推挽式逆變電路如圖1。

圖1 推挽式逆變電路工作原理圖

推挽式逆變電路的工作原理是：由前端波形發生器產生驅動信號v1、v2，利用推挽逆變電路，使得變壓器T1的兩個輸入端交替通斷，把Vcc（12 V直流電源）逆變成如圖2所示的交流電壓信號 U1，U1=Umsinωt；同理，在 v3、v4驅動下，將在變壓器T2的輸出端產生電壓信號U2，由于 v3、v4分別與 v1和 v2相位相差 90°，故 U2=Umcosωt。這里具有相位差 的 驅 動 信 號 v1、v2、v3和 v4是方波信號，由555產生的信號。其傳遞方框圖如圖3。

圖2 推挽式逆變器原理電路電流、電壓波形

圖3 超聲波電機驅動信號傳遞圖

推挽式逆變電路的主要優點是導通路徑上串聯的開關管在任意時刻有且只有一個處于工作狀態，且驅動電路具有公共地，其電路相對簡單，但難以防止高頻狀態下變壓器的直流飽和。在逆變過程中應避免開關管同時接通的情況發生，同時，應避免開關管閉合的時間也太長，以免出現電源“直流短路”現象。

3 開關變壓器設計

開關變壓器的設計常用的有兩種方法，第一種是先求出磁芯窗口面積Aw與磁芯有效截面積Ae的乘積Ap（Ap=Aw×Ae，稱磁芯面積乘積），根據 Ap值，查表找出所需磁性材料之編號；第二種是先求出幾何參數，查表找出磁芯編號，再進行設計。前者稱為AP法，后者稱為Kg法［7-8］。這里采用Kg法，經過計算比較，選擇磁芯型號EC35。原邊匝數取10匝，副邊繞組匝數取200匝。

4 開關電路硬件設計

4.1 9 0°移相電路設計

90°移相電路的實現，我們采用的是將兩個互為反向的信號分別二分頻。如圖4所示，方波信號A經反向后得到A信號，再分別對A和A進行二分頻，則得到A/2和A/2兩種信號，從圖4可以看出A/2和A/2兩種信號在相位上互差90°。

圖4 信號的二分頻

分頻器采用D觸發器實現，考慮到電路工作電壓范圍，采用4000系列CMOS邏輯電路中雙D觸發器CD4013。如圖5中U1、U2為D觸發器，其輸入D接在其反向輸出上組成二分頻電路，三極管Q13做反向器用，C9、R19組成基極加速電路，為使三極管反向輸出后的波形邊沿更陡。兩個D觸發器輸出/2、A/2和共4組信號，分別控制兩個逆變器的4個開關管［3］。

圖5 90°移相電路

4.2 驅動信號要求及其產生電路分析

為了在測試中能較為準確地找到電機的最佳頻率工作范圍，要求電源輸出頻率能連續調整，如果用單片機、DSP等處理器的定時器實現，較難實現比較小的頻率步進，所以這里選用模擬定時器實現，它可以實現用多圈電位器連續可調。這里用555定時器的自激多諧振蕩器方式實現，555這種工作方式輸出占空比不為50%，為了使輸出波形為精確的50%占空比，這里用了D觸發器對其信號進行2分頻，圖6中U3為D觸發器。

系統要求輸出頻率為15 kHz到100 kHz，因為前后信號需要進行2次二分頻，相當于四分頻。所以555的振蕩頻率在60 kHz到400 kHz調整。電路阻容器件參數如圖6。

4.3 開關管電路

該電路選擇高速MOSFET作為開關管，型號為IRF540N，其導通電阻比較小，為0.077 Ω，具體如圖7。雙路逆變器需要的4組MOSFEF開關電路是完全相同的設計。由于MOSFET的輸入電容比較大，一般在1 000 pF以上，不能直接用數字邏輯電路驅動。圖中小功率高速開關三極管Q7、Q8組成MOS管驅動電路，用來驅動MOS開關管IRF540N。C3、D1、R1為開關變壓器浪涌吸收電路，保護MOS管不被高壓浪涌擊壞。

圖6 脈沖產生電路

圖7 開關管電路

5 實驗結果分析與結論

本文所設計的超聲波驅動電路實物照如圖8所示，該電路滿足了以下的基本功能：1）頻率15 kHz到100 kHz連續可調；2）能輸出相位成90°的兩路高頻信號；3）每路輸出功率在25 W以上；4）輸出電壓有效值為240 V（輸入12 V）；5）輸入電壓為 5～15 V 直流電；6）為了能有更好的實驗效果，系統還加了散熱風扇，數碼管顯示頻率等功能。

圖8 推挽式驅動電源實物照

本文應用該電源對實驗室設計的超聲波電機進行驅動測試。在輸入電壓穩定，定轉子間預壓力穩定的條件下，我們測量了電機輸入頻率對電機輸出轉速的影響，形成轉速-頻率曲線，如圖9所示。

圖9 電機頻率-轉速的特性曲線

在輸入頻率穩定，定轉子間的預壓力穩定的條件下，我們測量了電機輸入電壓對輸出轉速的影響，形成轉速-電壓曲線，如圖10所示。

圖10 驅動電源輸入電壓與轉速的關系曲線圖

驅動電路的性能在一定程度上決定了超聲波電機的運行狀況。本文提出的設計方案結構簡單、可方便地實現驅動信號的調頻、調壓，能夠驅動超聲波電機平穩、可靠地運行。如能加入一些邏輯器件，則可對電機進行各種控制。

［1］ 林星陵.縱扭復合型超聲波電機的設計制作與實驗研究［D］.廈門：華僑大學，2008.

［2］ 劉宏偉.圓柱定子彎曲振動超聲波電機及電源的設計與實驗研究［D］.廈門：華僑大學，2008.

［3］ 陳建毅.行波型超聲波電機設計制作及其控制系統的研究［D］.廈門：華僑大學，2003.

［4］ 鄭利.一種圓柱桿式超聲波電機及驅動系統的研究［D］.沈陽：東北大學，2012.

［5］ 姜楠，方光榮，劉俊標，等.一種超聲波電機驅動電源的研究［J］.壓電與聲光，2006,28（5）：549-550.

［6］ 鄭喆俊，楊明.超聲波電機驅動技術［J］.微特電機，2008（8）：62-65.

［7］ 陳向鋒，徐曄，孟祥朋，等.現有逆變器對PEMFC發電機適應性仿真與實驗研究［J］.農業工程技術（新能源產業），2009(8)：30-34.

［8］ 王水平，付敏江.開關電源原理與實用電路［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1997.