压控振荡器型超声电机控制电路设计

功率放大部 分 ： 这部分 电路将小信号放 大 ， 用以驱动超声电机。
性运动 ， 或者直接把压电振子产生的弯 曲振动作驱动源 ， 于简单 的 借助 机械结构来驱动转子作连续 的旋转运动或直线运 动，也称压 电超声 电 机。超声 电机 的特点是不受磁场影响 、 低速 、 大扭矩 、 响应特性快 、 结构
超 声 电 机 （ ｔ ｓｎｃ ｔ ： Ｓ 是 一 种 基 于 压 电 陶 瓷 逆 压 电效 应 Ｕｌａｏ ｉＭｏｏ Ｕ Ｍ） ｒ ｒ 的新 型 电机 ， 近 二 十 年 来 出现 的 一 种 全新 概 念 的驱 动 装 置 。其 工作 原 是
理是 利用压 电陶瓷材料 的逆压 电效应把 电能转化成机 械能输 出而不用 电磁线 圈的直接驱动 电机 。它是在压 电陶瓷振子上加上交流 电压产生 几十千 赫的超声波振 动，把这种 固体振动通过摩擦力变 换成旋转或线
科技信息．
高校 理科 研 究
压控 振 荡 器 型超 声 电 相 控 制 电 路 设计
南通 大学 丁俊 民 景 一 欧 张 威
［ 摘 要］ 声电机是一种基于压电陶瓷逆压 电效应的新型电机。 超 设计 了一种超声 电机控制电路 。 该控制 电路使 用压控振荡器作 为信
号 源 ， 生 频 率 可 变 的基 准 方 波 信 号 ， 产 占空 比为 ２ ％， 率 范 围 为 ８ Ｋ ４０ 频 率 可 由 电路 反 馈 回 来 的 电压 调 节 。通 过 分 频 分 相 电 ０ 频 ０ ￣ ０Ｋ，
简单 和多样化 ， 具有 良好 的断电 自锁能力。目 前在美 国、 日本及欧洲 ， 超 声 电机得到广泛地应用 。主要有军事和航天领域 ，办公设备和声像设 备 ， 且 电 机 尺 寸 大 多 小 于 ｌｍ。尽 管 超 声 电机 技 术 的 研 究 已 初 见 成 并 ｃ 效， 实验室也初具规模， 但是微型 、集成式超声 电机的研发和超声 电机 控制器 的微型化和集成化仍是重要课题 。由超声 电机的工作机理可知 ， 超声 电机的最佳工作频率是 由系统 的机械共振频率决定 的，而 以压 电 元件 为主的振动 系统的共振频率会 随着 外界参数（ 如温度 、 预压力等 ） 的改变发生变化 ，因此一款好的超声电机控制电路必须能够很好地对 系统共振频率的变化实施跟踪 ， 从而确 保电机 的稳定运行。 超声 电机控 制 技 术 是 随 着 超 声 电机 理 论 和 制 造 技 术 的 改进 和 完 善 而 不 断 发 展 的 。 随着超声电机更多的应用和需求 ， 对其控制技术也提 出了更高的要求。 在超声 电机现有控制技术基础上 ，应向低电压驱动和提高系统整体效 率（ 控制器和超声 电机 ） 向发展 ， 方 而且 ， 控制技术彼此不是独立 的 ， 还 应 当融合 ， 模 块化和智能化 方向发展 。 向 随着国内外研究重点 向微型超 声 电机转移 ， 面向微型系统的控制技术的研 究显得越来越重要和迫切。 目前的控制电路大多是由一些分立元件组合而成， 中有数字元件， 其 也 有模拟元件 ， 控制大多为按键控制 ， 也有一些是单片机控制。其不足之 处在 于应用 的分立元 件数 量较多 ， 而且是数 模混合 电路， 于要求 稳 这对 定性 、 实时性和精确度都较高的超声电机控制电路来说 ， 都不是较理想 的选择 。由于超声电机对于控 制信号也有着较高的要求 ， 以 目前国内 所 外开发 的超声电机的控制电路普遍存在电路体积大 、控制性能单一等 问题 。 伴随超声电机的小型化 ， 电路也必须小型化， 前超声 电机控 控制 目 制器的体积相对电机而言较 大， 在实际应用中受 到很大 的限制 。 所以我
路将信 号四分频 ， 将基准频率的信号生成四路 时间上互差 ９。 Ｏ的方波信号 ， 频率为 ２Ｋ－ ０ Ｋ。该电路使超声 电机控制器体积 大大减 ０ １０
小。
［ 关键词 ］ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电机 超
１ 引言 ．
压控振 荡器 分频分相 器
括频率发生 、 分频分相 、 区调节 、 死 功率放大电路等 四部分组成。 频率发 生： 频率发生器产生频率可变的基准方波信号 。 分频分相器可将基准频 率的信号生成 四路时间上互差 ９ 。 Ｏ 的方波信号 ， 这部分也包 括外接控 制信号 以控制 电机正反转 （ ） ｃ 和起停 （Ｕ ） Ｒ Ｎ 。死区调节 ： 通过外接的两 个电阻 Ｒ 和 Ｒ 调节各信号的 占空 比，以免导致后 级的开关管直通。
Ｖｐ
们简化控制电路， 设计专用 的集成 电路。 ２ ． 电机对控 静信号的要求 超声 ｊ 根 据行 波型超声 电机 的运动视理， 要求电源必须输 出两相电压有效 值、 峰峰值相同 、 频率相 同且相位差为 ９ 。 ０ 的交流 电（ 有效值要大 于压 电 元件的起振 电压）以供给超声 电机 。电机 电源的外部输 入直流电， ， 电源
图 １超声电机的控制 电路框图 ３压 控 振 荡 器 的设 计 ．
频 率 发 生 器 是 用 来 产 生 可 变频 的方 波 信 号 。 声 电机 在 工作 时 ， 超 因
为温度及外在条件的变化使工作频率变化 ，这就要求控制电路部分的 频率发生器 的频率 由反馈 回来的变化 电压来控制 ，所 以采用压控振荡 器（ Ｃ 作为控制电路的频率发生器。外接偏置 电阻采用恒流源对电 Ｖ Ｏ） 容充放 电的压控 振荡器 。由于要 求最终 输 出信 号频率 范围为 ２ Ｋ～ ０ ｌ０ Ｈｚ在分频分相之前应该是 ８ Ｋ ４ ０ Ｏｋ ， ０ ～ ０ Ｋ。 利用 ＭＯ Ｆ Ｔ工作在饱 和区时 电流恒定的特性 ，设计 ＭＯ Ｆ Ｔ为 ＳＥ ＳＥ 电流源 ， 设定 Ｍ Ｓ Ｅ Ｏ Ｆ Ｔ的宽长 比参数 ， 取合适的 电容值 ， 选 分析各 参数 对整个振荡 电路的频率和占空 比的影响 ， 电路如图 ２ 所示 。