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。

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，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。

本文針對超聲波電機(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)原理簡介

我們設(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，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)。

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，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:信號的產(chǎn)生，信號的移相，功率的放大，信號的輸出.

信號的產(chǎn)生是由LlL2和C5組成的振蕩回路，振蕩電路信號的放大是由一個(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(如圖4）.

將振蕩回路產(chǎn)生的初始信號分出一路接入第NPN共射晶體管Ql之中，對輸入信號產(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，如圖5.

為了得到電壓峰峰值比較高的超聲信號，我們使用了所謂推挽式的逆變電路，即圖中由對大功率的達(dá)林頓管Q2、Q3、Q4、Q5組成組信號放大電路(Q2和Q5一組，Q3和Q4一組).將前面所得到的路相差為180度的信號用來控制這兩組信號放大電路的導(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(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(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(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。

審核編輯 黃宇