本文將與大家分享，ATA-4014高壓功率放大器在超聲馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和制作中的應(yīng)用，希望能對(duì)各位工程師有所幫助與啟發(fā)。

　　1引言

　　超聲波馬達(dá)又稱超聲電機(jī)(ultrasonicmotor，簡(jiǎn)稱USM)20世紀(jì)80年代才誕生的一種全新概念電機(jī)種類.超聲電機(jī)采用與傳統(tǒng)的電磁式電機(jī)截然不同的全新的原理和全新的結(jié)構(gòu)形式，不需要磁鐵和線圈，而利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)激發(fā)某種特定模態(tài)的超聲振動(dòng)，定子通過摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，從而獲得機(jī)械輸出的一種驅(qū)動(dòng)器[1]

　　超聲波馬達(dá)的應(yīng)用是壓電陶瓷發(fā)展的一個(gè)直接結(jié)果利用外加交變電場(chǎng)，使壓電陶瓷交變伸縮，超聲波馬達(dá)就是利用壓電陶資的這種交變伸縮，這種伸縮振動(dòng)的振幅非常小，所以超聲馬達(dá)要在諧振頻率處激發(fā)超聲波馬達(dá)的定子振動(dòng).

　　雖然超聲馬達(dá)的定子的振幅只有1μm左右，但是由于超聲振動(dòng)頻率一般都在20kHz以上，所以超聲波馬達(dá)也可以獲得很高的轉(zhuǎn)速.超聲電機(jī)具有扭矩/質(zhì)量比大、結(jié)構(gòu)緊湊、低速大扭矩、響應(yīng)快、換向迅速、無電磁噪聲干擾和控制性好等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)器人、精密儀器儀表、醫(yī)療器械、航空航天以及新型武器裝備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[2]

　　本文針對(duì)超聲波電機(jī)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套驅(qū)動(dòng)控制電路，利用該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)所制作的超聲波電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到了令人較滿意的結(jié)果.

　　2驅(qū)動(dòng)原理簡(jiǎn)介

　　我們?cè)O(shè)計(jì)的超聲電機(jī)是利用逆壓電效應(yīng)，逆壓電效應(yīng)是在壓電材料的相應(yīng)部位間加上電壓，產(chǎn)生一定的電荷分布，材料會(huì)發(fā)生相應(yīng)的形變，在此種壓電材料上加上某種特定頻率的交變正弦信號(hào)，材料就會(huì)產(chǎn)生隨所加電壓的變化規(guī)律而變化的機(jī)械形變.這種機(jī)械形變推動(dòng)周圍介質(zhì)振動(dòng)，產(chǎn)生疏密相間的機(jī)械波，如果其振動(dòng)頻率在超聲范圍，這種機(jī)械波就叫超聲波.

　　3超聲電機(jī)對(duì)電路的要求

　　超聲電機(jī)的應(yīng)用離不開驅(qū)動(dòng)電路，其特殊的驅(qū)動(dòng)機(jī)理要求驅(qū)動(dòng)器必須提供超聲頻段內(nèi)的正弦交流電，驅(qū)動(dòng)器通常為DC-AC型逆變器.驅(qū)動(dòng)電路性能的優(yōu)劣，不僅關(guān)系到超聲電機(jī)的輸出性能，也會(huì)影響其應(yīng)用.對(duì)驅(qū)動(dòng)電路而言，超聲電機(jī)是一個(gè)容性負(fù)載，因此超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)不同于呈電感性的傳統(tǒng)電磁型電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì).

　　圖一表明微型壓電超聲電機(jī)的輸人電壓(電壓峰-峰值)越大，轉(zhuǎn)速越大;圖表明微型壓電超聲電機(jī)的輸人電壓越大，其輸入功率也相應(yīng)增大，因此如果想使超聲電機(jī)的輸出功率增大，就必須提高電壓，具體數(shù)值取決于超聲電機(jī)所采用的壓電材料的性能，電壓過高，會(huì)使壓電材料破裂;電壓過低，電機(jī)無法轉(zhuǎn)動(dòng)[5]

　　不同的超聲波電機(jī)具有不同的驅(qū)動(dòng)電壓工作范圍和最佳工作頻率.因而，超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路不僅要能夠輸出高頻高壓信號(hào)，而且其頻率、幅值都應(yīng)該是可調(diào)的.超聲電機(jī)在實(shí)際工作中，必須通過控制電路進(jìn)行調(diào)速.

　　4超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路

　　根據(jù)以上壓電超聲馬達(dá)的電學(xué)特性，我們知道，壓電超聲馬達(dá)工作時(shí)首先必須在諧振狀態(tài)下即外電路驅(qū)動(dòng)與定子自身產(chǎn)生諧振，這樣超聲馬達(dá)才能正常工作.壓電馬達(dá)的許多特性都與超聲電機(jī)的諧振密切相關(guān)，最突出的一點(diǎn)就是工作時(shí)頻率的范圍比較窄，一般2-3kHz左右.

　　針對(duì)我們小組研制的壓電超聲的特點(diǎn)，使用Multisim模擬設(shè)計(jì)整個(gè)電路(如圖3).驅(qū)動(dòng)電路正常工作時(shí)，VCC提供整個(gè)電路的電源，在實(shí)際使用中用干電池來提供直流電.這個(gè)電路主要包含部分模塊:信號(hào)的產(chǎn)生，信號(hào)的移相，功率的放大，信號(hào)的輸出.

　　信號(hào)的產(chǎn)生是由LlL2和C5組成的振蕩回路，振蕩電路信號(hào)的放大是由一個(gè)NPN共射晶體管Q6和其他相關(guān)元件實(shí)現(xiàn)振蕩電路信號(hào)的正反饋是從放大器的集電極通過一個(gè)電容連接回LC振蕩回路，經(jīng)過放大后，輸出單相信號(hào)(如圖4）.

　　將振蕩回路產(chǎn)生的初始信號(hào)分出一路接入第NPN共射晶體管Ql之中，對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生了180度的移相，從而我們得到了兩路電壓峰峰值相等，相位相差的信號(hào)，如圖5.

　　為了得到電壓峰峰值比較高的超聲信號(hào)，我們使用了所謂推挽式的逆變電路，即圖中由對(duì)大功率的達(dá)林頓管Q2、Q3、Q4、Q5組成組信號(hào)放大電路(Q2和Q5一組，Q3和Q4一組).將前面所得到的路相差為180度的信號(hào)用來控制這兩組信號(hào)放大電路的導(dǎo)通和關(guān)斷.因此當(dāng)Q2和Q5導(dǎo)通，Q3和Q4關(guān)斷時(shí)輸出交流電壓的正半周;當(dāng)Q3和Q4關(guān)斷，Q2和Q5導(dǎo)通時(shí)輸出交流電壓的負(fù)半周.所以Q2、Q5和Q3、Q4輪流導(dǎo)通時(shí)，在小型升壓變壓器兩端就可以得到交流電壓信號(hào)(圖6).另外，為了控制超聲電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，我們使用單刀雙擲的開關(guān)將輸出信號(hào)與壓電超聲電機(jī)的定子連接起來，從而實(shí)現(xiàn)了超聲電機(jī)順時(shí)針和逆時(shí)針的切換，如圖7所示.

　　在理論上設(shè)計(jì)完電路之后，我們使用Protel將整個(gè)電路模擬設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)緊湊、裝配元器件方便的印制電路板即PCB板，如圖8所示.因?yàn)槲覀冃〗M設(shè)計(jì)的一部分微型超聲馬達(dá)只需要小功率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(輸入電壓峰峰值小于60V)，就采用低功率的電子元器件，即圖的電路實(shí)物圖，還有一部分超聲馬達(dá)要使用大功率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(輸入電壓峰峰值達(dá)到160V)，我們采用大功率的電子元器件，所以電路體積要稍大一些，如圖10.整個(gè)電路的輸出電壓峰峰值可以通過圖3的R8來進(jìn)行調(diào)節(jié).

　　ATA-4014高壓功率放大器

　　帶寬：（-3dB）DC~1MHz

　　電壓：160Vp-p（±80Vp）

　　電流：5.65Ap

　　功率：452Wp

　　壓擺率：≥356V/μs

　　可程控

　　5結(jié)語

　　我們用設(shè)計(jì)的電路成功地驅(qū)動(dòng)了小組所研制的壓電超聲電機(jī)，運(yùn)轉(zhuǎn)性能良好，實(shí)現(xiàn)了初期的目標(biāo)，該電路易于起振、工作穩(wěn)定、安全可靠，是較好的壓電超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]上羽貞行，富川義朗.超聲波馬達(dá)理論與應(yīng)用[M].楊志剛，鄭學(xué)論.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1997:1-7.

　　[2]趙淳生.超聲電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京科學(xué)出版社，2007:1-3.

　　[3]Luo L H,Zhao C,et al.Cylinder-shaped ultrasonic motors 4.8 mm in diameter using electroactive piezoelectric materials [J]. Applied Physics letters,2007,90:052904.1-052904.3.

       [4]Dong S, Wang S,Shen W, etal. A miniature piezoelectric ultrasonic motor based on circular bending vibration mode. ［J].IEEE/ASME Transactionson Mechatronics , 2000(5):325-330.

　　[5]馮祖勇.PMNT單晶的電致應(yīng)變特性及其在壓電驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用研究[D].中國科學(xué)院研究生院博士學(xué)位論文，上海硅酸鹽研究所，2005:113-128.

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