超聲電機(jī)是一種將壓電振子在超聲頻域的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)，它應(yīng)用壓電元件產(chǎn)生的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)體移動(dòng)。根據(jù)超聲電機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，由兩相頻率幅值相等、具有一定相位差的高頻交變電壓信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電振子，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。超聲電機(jī)因其低速大轉(zhuǎn)矩，體積小，重量輕。功率密度大，響應(yīng)速度快，微位移，不受電磁影響等優(yōu)點(diǎn)，已在透鏡精密定位、相機(jī)鏡頭自動(dòng)聚焦系統(tǒng)、隧道掃描顯微鏡、壓電夾具體、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

超聲電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但其壓電元件需要高頻激勵(lì)。目前其驅(qū)動(dòng)電源主要有3大類：一類是利用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，由逆變來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓升壓、能量傳遞、阻抗匹配和電源隔離，這種方法在國(guó)內(nèi)的行波型超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)中使用比較廣泛．但變壓器必須與不同信號(hào)的超聲電機(jī)匹配；另一類利用諧振升壓產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)型號(hào)，雖然電路簡(jiǎn)單，體積小，但是電感參數(shù)選取比較困難；還有一類是采用正弦波型號(hào)直接放大輸入超聲電機(jī)，這種方法采用數(shù)字直接合成技術(shù)（DDS），以模擬放大電路為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)，激勵(lì)信號(hào)達(dá)到理論分析的要求，實(shí)現(xiàn)控制算法簡(jiǎn)便靈活，但電路復(fù)雜，成本較高。微型超聲電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合的特性要求其驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)緊湊，可電池供電，簡(jiǎn)單易行。而B(niǎo)CS1608滿足以上要求，輸出電壓兩相／三相可選，因此可作為不同型號(hào)微型超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。

1 BCS1608的主要特點(diǎn)

BCS1608是博立碼杰通訊（深圳）有限公司自主研發(fā)推出的一款兩／三相升壓逆變器，輸入2．5～5．5 V電源及控制信號(hào)，輸出36 V高電壓兩相或三相驅(qū)動(dòng)電平，內(nèi)置開(kāi)關(guān)頻率為500 kHz的Boost升壓模塊。該芯片待機(jī)電流低，功耗小，外圍電路簡(jiǎn)單，體積小，可靠性高。

BCS1608可實(shí)現(xiàn)兩相或三相高壓輸出，切換方便。其應(yīng)用范圍包括錄像機(jī)、CD／DVD播放機(jī)、汽車音頻等音像設(shè)備，PC外圍設(shè)備，汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和辦公設(shè)備等。BCS1608的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其主要特性如下：

（1）直流輸入電壓，可直接由電池供電，無(wú)需外加變壓器或有源升壓開(kāi)關(guān)器件；

（2）輸出電壓可調(diào)，幅值最高可達(dá)36 V；

（3）兩種工作模式，其中兩相輸出相位差為90，三相輸出相位差為120；

（4）待機(jī)電流小；

（5）體積小，僅為3 mm×3 mm，QFN封裝。

由圖1可知，BCS1608內(nèi)部電路分為3大模塊：升壓部分、相位控制邏輯部分和逆變部分。其中升壓部分采用Boost DC／DC升壓電路，相位控制邏輯部分根據(jù)相位控制信號(hào)SEI．和DIR對(duì)輸入時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻和相移，為逆變部分提供開(kāi)關(guān)信號(hào)。

2 引腳功能和外圍電路

BCS1608采用16腳QFN封裝，各引腳功能定義如下：

VBB：由DC—DC升壓得到的高壓電源，為驅(qū)動(dòng)部分供電；

AGND：模擬地；

DIR，SEI：控制3路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位，如表1所示；

GND：數(shù)字地；

IN：輸入時(shí)鐘信號(hào)；

SHDN：電路使能信號(hào)，高電平有效；

FB：DC—DC輸出電壓反饋引腳，設(shè)置VBB最高點(diǎn)壓；

VCC：輸入低壓電源腳；

SW：內(nèi)部NMOS開(kāi)關(guān)管的漏輸出；

OUT1～OUT3：三路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。

BCS1608的外圍電路簡(jiǎn)單，需要快恢復(fù)二極管、電感和電容各1個(gè)與內(nèi)部電路組成Boost升壓電路，電阻2個(gè)用于反饋電壓，再外加1個(gè)電容起濾波作用，其簡(jiǎn)單應(yīng)用電路如圖2所示。

3 逆變電路結(jié)構(gòu)

由于超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)所利用的振型的多樣性，因此超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式非常靈活和多樣化，也要求驅(qū)動(dòng)電源與之配套，使得驅(qū)動(dòng)電源可移植性差。而由BCS1608構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電源輸出兩相和三相可選，可驅(qū)動(dòng)多種不同結(jié)構(gòu)的超聲電機(jī)。

由于B（2S1608要兼顧兩相和三相輸出，其逆變部分采用兩相三橋臂逆變電路，如圖3所示。

當(dāng)負(fù)載為兩相時(shí)，可選逆變電路有3種：半橋逆變電路、雙H橋逆變電路和兩相三橋臂逆變電路。半橋逆變電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅需要4個(gè)功率變換器組成2個(gè)橋臂即可，如圖3所示。雖然它所需功率開(kāi)關(guān)器件少，成本低廉，穩(wěn)定性高，但是回饋電流會(huì)使前級(jí)變頻電源輸出電壓波動(dòng)較大，且需要對(duì)稱正負(fù)輸出電源。采用雙H橋逆變電路則只需要單路穩(wěn)壓電源，兩相負(fù)載的電流也不再對(duì)電源形成大的干擾，直流電壓利用率也比半橋電路要高，如圖4所示，如ROHM公司的H橋驅(qū)動(dòng)器BD623X即采用這種電路；但同時(shí)功率開(kāi)關(guān)器件數(shù)量較之半橋逆變電路增加一倍，結(jié)構(gòu)上也變得復(fù)雜。實(shí)際應(yīng)用中將圖5中的中間兩只橋臂合二為一，成為公共橋臂，即圖3所示兩相三橋臂全橋逆變電路，既減少了開(kāi)關(guān)器件的數(shù)目又保持了雙H橋的優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)負(fù)載為三相時(shí)，由于三相半橋逆變電路與兩相三橋臂逆變電路完全一致，因此可實(shí)現(xiàn)兩相和三相之間的靈活轉(zhuǎn)換。

4 輸出電壓仿真實(shí)驗(yàn)

由表1中可知電壓輸出模式分為2種：兩相模式和三相模式。兩相輸出時(shí)，輸出是輸入時(shí)鐘的兩分頻，而三相輸出時(shí)為輸入時(shí)鐘的三分頻。利用Matlab搭建BCS1608內(nèi)部電路逆變部分的仿真模型，如圖6所示，其中s函數(shù)輸入為輸出電壓控制信號(hào)的頻率；輸出為6個(gè)功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，且根據(jù)SEL，DIR的不同值產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)使逆變電路輸出不同相位電壓，同時(shí)為防止同一橋臂直通，在S函數(shù)中設(shè)置了死區(qū)時(shí)間。改變SEL和DlR值，對(duì)上述2種工作模式進(jìn)行仿真，得到波形如圖7所示，輸出相電壓幅值均為36 V，頻率均為20 kHz。

5 應(yīng)用實(shí)例

選用了同為博立碼杰公司生產(chǎn)、用于手機(jī)攝像頭AF功能的：BM730一A1型號(hào)的超聲電機(jī)。它是一款由粘接有壓電片的多邊形金屬螺母定子和帶有外螺紋的轉(zhuǎn)子組成的螺母型超聲電機(jī)。

在分區(qū)的壓電陶瓷上施加激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)出定子的面內(nèi)行波。通過(guò)整個(gè)定子的螺紋表面驅(qū)動(dòng)與之相配合的螺紋轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)螺紋將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)電源由一塊3．7 V鋰電池、1片單片機(jī)和1片BCS1608及附加被動(dòng)元件組成。其中超聲電機(jī)既可采用兩相驅(qū)動(dòng)，也可采用三相驅(qū)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)電壓要求幅值為22±2 V，頻率為16．78 kHz。

圖8為BCS1608輸出線電壓波形，其中BCS1608為兩相輸出時(shí)，圖8（a）為超聲電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的波形，圖8（b）為超聲電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的波形；BCS1608三相輸出時(shí)，圖8（c）為超聲電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的波形，圖8（d）為超聲電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的波形。

實(shí)驗(yàn)可得，BCS1608很好地驅(qū)動(dòng)了超聲電機(jī)，輸出波形失真小，效率高，可作為微型超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的首選。

6 結(jié)語(yǔ)

BCS1608由于其高度集成的設(shè)計(jì)，外圍電路簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程，適合用于對(duì)結(jié)構(gòu)要求苛刻的超聲電機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：BCS1608兩種輸出模式可靠性高，可廣泛應(yīng)用于各種微型超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源中。