| 一種具有頻率跟蹤功能的超聲波電機驅動器
周維，徐志科，金龍
(東南大學，江蘇南京201196)
摘要：介紹了一種具有頻率跟蹤功能的超聲波電機驅動器。因各種原因，超聲波電機在運行過程中會發生諧振頻率漂移現象，進而導致電機轉速下降、效率降低。電壓電流的相位差即阻抗角特性反映了電機定子的諧振特性，通過不斷調整控制器驅動信號頻率，保持電機一相驅動電壓與電流的相位差恒定不變，使電機始終運行在較佳頻率點，提高電機的輸出效率。該驅動器改變電路中比較器初始相位差設定值，電路可以跟蹤相位差變化實現對超聲波電機的穩速控制功能。
關鍵詞：超聲波電機；鎖相環；頻率跟蹤：驅動器
O引言
超聲波電機是一種全新概念的驅動微電機，與傳統的電磁電機依靠電磁介質來傳遞能量不同，超聲波電機不含磁極和繞組，它是通過在壓電陶瓷上施加高頻交流電壓利用壓電陶瓷的逆壓電效應激發超聲振動，再通過振動體和移動體之間的摩擦耦合，將壓電振子的微觀振動變換成轉子宏觀上的旋轉或者直線運動，實現能量的轉換。超聲波電機作為一種直接驅動電機從20世紀80年代以來備受各國科研工作者的青睞，已成為當前機電控制領域的一個研究熱點。
但是電機運行時，定、轉子之間的摩擦運動會產生大量熱量，從而使其溫度顯著上升。溫度的上升會使其諧振頻率發生漂移，轉速發生明顯變化，轉換效率降低。此外，由于負載的變化會引起電機參數的變化，進而也會導致其諧振頻率漂移。本驅動器通過鎖相環的頻率跟蹤功能，通過不斷調整控制器驅動信號頻率，使電機較穩定地運轉在較佳工作狀態。
1頻率跟蹤原理
超聲波電機運行時，由于溫度特性等因素的影響，電機定子的諧振特性曲線會發生漂移，導致電機轉速下降，效率降低。此外，由于負載的變化會引起電機參數的變化，進而也會導致其諧振頻率漂移。
圖1所示為超聲波電機通常工作區域的阻抗相頻特性曲線，φ為電壓電流相位差，f表示電機驅動率。假設電機原來工作在Q點，電壓電流相位差為φ，對應的驅動頻率為而，由于溫度特性等因素的影響，電機定子的諧振特性曲線會發生漂移，且有較好的平移性，虛線和實線分別表示溫度為乃和n時的特性曲線，T1>T0。如果驅動頻率不變，電機工作點將轉移至Q1點，電壓電流相位差增大至φ電機轉速下降。如果設法保持工作點不變，即φ=φref，此時電機速度會基本保持不變，電機回到原來工作點。所以可以通過采集和處理電機運行時電壓電流相位差信號，不斷調整控制器驅動信號頻率，維持相位差不變，使電機始終運行在較佳頻率點。
2驅動器工作原理
2 1 PWM波生成電路
鎖相環cD4046內部的壓控振蕩器產生高頻脈沖信號，作為雙向移位寄存器74Lsl94的時鐘信號，通過初始計數初值設置利用其移位功能產生四路PwM波信號，作為全橋逆變電路的開關信號，移位寄存器左移右移功能可以實現對電機的正反轉控制。
2 2超聲波電機驅動電路
電路采用直流供電，因此需要逆變升壓電路。移位寄存器產生的PwM波信號，送入全橋逆變電路。全橋逆變電路想通過先通過L298將5v直流電壓轉換為12v直流電壓，然后將其轉化成兩相相差90。的高頻交流信號，驅動電機運行。
2 3電壓電流采樣電路
超聲波電機使用兩相驅動，采用簡單的分壓電路和比較器列電機任一相的電壓電流信號進行采樣，采樣電路如圖4所示。在一相變壓器的輸出端并聯兩個分壓電阻，由圖3中電阻R9分壓得電壓采樣信號，純電阻網絡采樣信號和變壓器輸出信號同相。將電流信號采樣電阻R10采用外分接法與電機一相串聯，此時采樣電阻R8和R9要盡量大，以減小分流。
2 4鎖相環cD4046基本原理
電壓電流信號經采樣后為正弦波信號，故需經過過零比較后轉換成兩路方波信號。方波的幅值反映了電壓和電流相位差。兩列方波再通過cD4046鑒相器PD鑒相輸出為電壓和電流相位差的信號UD，信號經外接低通濾波電路LF濾波成反映相位差變化的直流電平信號，與設定值進行比較，比較輸出作為壓控振蕩器vcO的輸入控制電壓執。控制電壓改變vcO頻率，以減小輸入信號與vCO之間的相位差。從而不斷減小一相電壓電流相位差與設定值之間的差距，從而鎖定所需要的相位差，實現超聲波電機的相位差閉環控制。
當環路鎖定時，控制電壓把vcO頻率平均值淵整到于輸入信號頻率的平均值完全一樣。對于控制信號的一個刷期，vcO儀輸出一個周期。鎖相并非意味零相位誤差，恒定的相位誤差和起伏的相位誤差都可能存在于鎖相環中，過大相位誤差會導致失鎖。
改變電路中比較器初始相位差設定值，電路可以跟蹤相位差變化實現對超聲波電機的穩速功能。
3實驗結果與分析
為了驗證頻率跟蹤系統的有效性，采用本實驗室研制的直徑為60 mm的行波型超聲波電機進行實驗，該電機的諧振頻率是39．4 kHz。
電機開環工作時，隨著運行時間的延長，電機定子溫度升高，定子諧振特性發生漂移，轉速會出現明顯的下降，如圖6所示，轉速從76. 8 r／min下降至63 .6 r／min左右之后趨于穩定此時電機轉速大為下降，電機效率降低，工作性能很差。
具有頻率跟蹤功能的超聲波電機閉環運行時，使電機盡量從開環運行同等條件下啟動，測得轉速如圖7所示，轉速從74 .1 r/min F降至69．6 r/min左右并逐漸趨向穩定，電機轉速波動±百分之六左右，較之開環有一定的改善。
實驗結果表明加鎖相環調節相位差的閉環控制能一定程度上跟蹤定子諧振頻率的漂移，從而不斷調整電機驅動信號的頻率，補償由特性漂移帶來的轉速變化，實現對超聲波電機的穩速控制功能。
4結語
本文針對行波超聲波電機的運行特性，設計了這款基于鎖相環芯片的超聲波電機頻率跟蹤驅動器。為了實現超聲波電機驅動電源頻率跟蹤的功能，利用相位差比較法，并通過實驗驗證了該方法的可行性。實驗結果證明該方法切實可行，通過采集和處理電壓電流相位差信號實現頻率跟蹤控制，實現對超聲波電機的穩速控制功能，達到了預期的效果。同樣可通過實驗，在一定條件下找到所期望的力矩、功率、效率等指標對應的相位差值，鎖定這個相位差，就可使電機運行在期望的工作狀態。
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