CN101420190B - 超声电机的驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为超声电机的驱动方法，对于压电元件的数目为4或其倍数的超声电机，当其压电元件具有共地结构时，相邻压电元件采用++--的极化方式，控制升压——三相桥式逆变电路得到两相正交的交流电压依次为各压电元件供电，从而可以有效地降低供电电源电压幅值，减少晶体开关管的数量，提高驱动电路的效率。对于上述超声电机，还可以采用两路相差90°电角度的单极性直流脉动电压供电的方式，代替通常的交流输出，从而可以大大提高晶体管的开关频率，便于驱动电路的微型化与集成化。对于压电元件的数目为3或其倍数的超声电机，控制升压——三相桥式逆变电路得到三相对称的交流电压依次为各压电元件供电，也可以减少晶体开关管的数量，提高驱动电路的效率。

Description

超声电机的驱动方法 
技术领域
本发明涉及驱动超声电机的方法。 
背景技术
超声电机是利用压电材料的逆压电效应，将多个压电元件组合在特定的结构内所得到的驱动机构，它一般由定子、转子等功能部件构成，通常在定子上固定了具有电致伸缩效应的压电元件。现有的超声电机一般设置四(或其整数倍)个压电元件，其驱动采用四相或两相正交正弦电源，即方法1：在同组的四个压电元件上依次加上电源信号sinωt，cosωt，-sinωt，-cosωt，或方法2：将同组相对的两个压电元件先反向串联起来，再分别加上电源信号sinωt与cosωt，如图1所示，从而在超声电机内产生行波，使电机得以旋转。 
以上方法2比方法1节省了两路电源，因而在实践中得到了更多的应用。其缺点是电机中的压电元件需采用反向串联的方式以利用电源sinωt与cosωt来代替原本存在的-sinωt与-cosωt部分来供电。由于电源实际是给串联的压电元件供电，需要双倍的电压，加之压电元件本身就需要较高的驱动幅值，所以采用两相正交电源供电时有电压幅值较高的问题，常常在数十伏至数百伏之间。特别对于采用电池供电的手持式设备来说，会增加电源设计的难度。 
在图1所示的一种已有的超声电机中，定子由外贴压电陶瓷元件的空心金属柱组成，压电片的外表面被金属化后形成电极，其内表面被金属柱短接，形成公共点并接地。当其上的压电元件11-14分别正向极化(以+号表示，指极化方向由外部指向金属内筒)后在压电元件11与13间加上2Asinωt，在压电元件12与14间加上2Acosωt，如图1中虚线所示，其中A为驱动单个压电片所需电压的幅值，电机就能转动 起来。 
由于正弦波电源所需的电路复杂，需要笨重的滤波电路，因而采用电路结构更为简单的逆变电路输出同频同相的方波往往成为更好的选择。如图2，采用两个独立控制的单相H桥，分别输出相位相差90°电角度的方波，以替代图1中的正弦波电源，参见图1中实线部分，也可以使电机转动起来。此时，方波电压中真正有效的部分仅是其基波分量，基波分量的幅值为方波电压幅值的1.27(＝π/4)倍，其余谐波分量则对驱动电机没有任何贡献，可以采用各种方法加以抑制。 
以上超声电机采用两相正交的正弦波电源或方波电源驱动时，电源需给两个串联的压电片供电，需要输出的电压幅值为2A，其中A为驱动单个压电片所需电压的幅值。另外，在手持式设备类的应用中，为了用电池驱动超声电机，常常需要前置一个升压DC/DC开关电路，以便将电池电压提升到超声电机所需的电压值，再通过如图2所示的逆变电路转换为超声电机所需的两相正交电压。当电池电压固定而电机的输入电压幅值增加时，升压DC/DC开关电路的提升比随之增加，实现时的难度增加。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一在于提供一种具有简化驱动电路的超声电机的驱动方法。 
本发明所要解决的技术问题之二在于提供一种具有更简化驱动电路、便于IC化的超声电机的驱动方法。 
本发明所要解决的技术问题之三在于提供一种具有简化驱动电路、并且提高驱动电路中的被动元件工作效率的超声电机的驱动方法。 
本发明所要解决的技术问题之四在于提供一种具有最简化驱动电路的超声电机的驱动方法。 
本发明是通过以下技术方案实现上述技术问题之一的：一种超声电机的驱动方法，包括下述步骤： 
A、将超声电机的压电元件两两分组，每组第一个压电元件的一个 出线端子接至第一节点，另一个出线端子接至第二节点；而每组第二个压电元件的一个出线端子接至第三节点，另一个出线端子也接至第二节点；第二节点为各压电元件的公共地，每四个一组相邻的压电元件采用++--的极化方式； 
B、采用三相全桥逆变电路，所述三相全桥逆变电路包括第一桥臂、第二桥臂，以及第三桥臂，其三桥臂的输出端子分别与超声电机的第一节点、第二节点、第三节点相连； 
C、控制第一桥臂的上下晶体管各自导通180°且对称导通；第三桥臂的控制波形同第一桥臂但反相；第二桥臂的控制波形同第一桥臂但滞后或超前90°电角度； 
D、第一节点及第二节点之间的输出电压以及第三节点及第二节点之间的输出电压为两相相差90°电角度的交流方波电压，频率为超声电机在共振区域内的频率。 
其中三相全桥逆变电路前置DC/DC开关电路，将供电电压变换到所述压电元件所需的电压幅值。 
本发明是通过以下技术方案实现上述技术问题之二的：一种超声电机的驱动方法，包括下述步骤： 
A、超声电机的压电元件三三分组，每组第一个压电元件的一个出线端子接至第一节点，另一个出线端子接至第四节点；每组第二个压电元件的一个出线端子接至第二节点，另一个出线端子也接至第四节点；每组第三个压电元件的一个出线端子接至第三节点，另一个出线端子也接至第四节点；第四节点为各压电元件的公共地，压电元件全部采用正向极化； 
B、采用三相全桥逆变电路，所述三相全桥逆变电路包括第一桥臂、第二桥臂，以及第三桥臂，其三桥臂的输出端子分别与超声电机的第一节点、第二节点、第三节点相连； 
C、控制第一桥臂的上下晶体管各自导通180°且对称导通；第二桥臂的控制波形同第一桥臂但滞后或超前120°电角度；第三桥臂的控制波形同第一桥臂但滞后或超前240°电角度； 
D、第一节点及第二节点之间的输出电压、第二节点及第三节点之间的输出电压，以及第三节点及第一节点之间的输出电压为三相互差120°电角度的交流方波电压，频率为超声电机在共振区域内的频率。 
其中三相全桥逆变电路前置DC/DC开关电路，将供电电压变换到所述压电元件所需的电压幅值。 
本发明是通过以下技术方案实现上述技术问题之三的：一种超声电机的驱动方法，包括下述步骤： 
A、将超声电机的压电元件两两分组，每组第一个压电元件的一个出线端子接至第一节点，另一个出线端子接至第三节点；而每组第二个压电元件的一个出线端子接至第二节点，另一个出线端子也接至第三节点；第三节点为各压电元件的公共地，每四个一组相邻的压电元件采用++--的极化方式； 
B、采用两只半桥电路，包括第一桥臂以及第二桥臂，其输出为两路，分别与超声电机的第一节点与第二节点相连，半桥电路的地则与超声电机的第三节点相连； 
C、控制第一桥臂的上下晶体管各自导通一定的导通角；第二桥臂的控制波形同第一桥臂但滞后或超前第一桥臂90°电角度； 
D、输出为两路相位相差90°电角度的直流脉动电压，脉动的频率为超声电机在共振区域内的频率。 
其中所述两半桥电路前置DC/DC开关电路，将供电电压变换到所述压电元件所需的电压幅值。 
本发明是通过以下技术方案实现上述技术问题之四的：一种超声电机的驱动方法，包括下述步骤： 
A、将超声电机的压电元件两两分组，每组第一个压电元件的一个出线端子接至第一节点，另一个出线端子接至第三节点；而每组第二个压电元件的一个出线端子接至第二节点，另一个出线端子也接至第三节点；第三节点为各压电元件的公共地，每四个一组相邻的压电元件采用++--的极化方式； 
B、采用两只升压DC/DC开关电路，分别为第一升压DC/DC开关电 路以及第二升压DC/DC开关电路，将供电电压变换到所需幅值；其输出分别与超声电机的第一节点与第二节点相连； 
C、所述每一个升压DC/DC开关电路由一个电感、一只晶体管、一只二极管组成，其中电感的一端接电源输入，另一端接晶体管的集电极及二极管的阳极，晶体管则接在电感的输出端与地之间，二极管接在电感的输出端与整个电路的输出端子之间； 
D、控制第一升压DC/DC开关电路以一定频率脉动；第二升压DC/DC开关电路的脉动频率与第一升压DC/DC开关电路相同但滞后或超前第一升压DC/DC开关电路1/4周期； 
E、其输出为两路相位相差1/4周期的直流脉动电压，幅值为升压DC/DC开关电路输出值，脉动频率为超声电机在共振区域内的频率。 
在每一个升压DC/DC开关电路的输出端子与地之间还可以加接一个晶体管，控制晶体管以脉动频率给压电元件负载周期性放电，以加快放电速度。 
在每个升压DC/DC开关电路中的晶体管旁还可以反向并联一个二极管，同时在每个二极管旁反向并联一个晶体管，这样构成一个从超声电机到电源的降压DC/DC电路，可以实现电能从超声电机到电源的回馈。 
本发明超声电机的驱动方法的优点在于：采用三相桥式电路输出两相正交电压的优点是仅需六只开关管，采用++--的极化方式可以有效地降低供电电源的电压幅值，进而可以简化驱动电路，提高驱动电路的效率，降低成本，特别有利于超声电机在电池供电的手持类设备中应用。 
采用三相桥式电路输出两相正交电压的另一个好处，是该电路还可以采用另一种控制方式来输出对称的三相电压。这样，当压电电机为三相结构时，或两相/三相兼容结构时，电机可以采用三相电压驱动，从而为同一个电机，同一套驱动电路提供了另一个选择，或者用同一套驱动电路分别驱动两个或以上的同类转子。 
采用三相桥式电路输出三相对称电压的优点是仅需六只开关管，电路简单，便于IC化，输入电流自动平衡，输出力矩脉动小，应用前景广阔。 
采用双半桥直流脉动供电的方式的优点是为了进一步减少开关管的数量，减小电源的体积。 
采用两路升压DC/DC开关电路驱动的方式，其优点在于：此方法仅需四只晶体管，加上适当的***电路，便可以实现超声电机的驱动，而且，由于输出为直流信号，可以大幅提高晶体管的开关频率，如至数百kHz甚至数兆Hz，可以大大减小升压DC/DC开关电路所需的电感及电容数值与体积，促进驱动电路的微型化与集成化，甚至，在一定情况下，用于给压电元件放电用的两只晶体管可以省去，从而得到最简化的电路，此种电路的变体还可以实现能量从超声电机到电源的回馈，使电机工作在两象限上。 
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明： 
图1为一种已知的超声电机结构及其极化与驱动方式示意图； 
图2为采用两相正交方波驱动方式时的双H桥驱动电路示意图； 
图3a为一种多面体螺纹驱动一体化超声电机及其直接驱动的光学透镜组正面结构图； 
图3b为一种多面体螺纹驱动一体化超声电机及其直接驱动的光学透镜组侧面剖视图； 
图4为本发明中的超声电机各压电元件的极化及驱动接线示意图； 
图5a为图2中所示的双H桥驱动电路中的两桥臂被超声电机的共地点短路后的电路示意图； 
图5b为本发明中的一种三相桥式驱动电路输出两相正交电压时的电路示意图； 
图6为图5b中三桥臂的控制信号波形示意图及输出电压波形图； 
图7为图5b前置升压DC/DC时的驱动电路示意图； 
图8a及图8b为另一种多面体螺纹驱动一体化超声电机直接驱动的光学透镜组； 
图9为采用本发明中的三相驱动方式时超声电机各压电元件的极化 及驱动接线示意图； 
图10a及图10b为本发明中的三相桥式驱动电路输出三相正交电压时的三桥臂的控制信号波形示意图及输出电压波形图； 
图11为采用本发明中的单极性两相直流脉动驱动方式时超声电机各压电元件的极化及驱动接线示意图； 
图12为本发明中的一种单极性两相直流脉动输出电路示意图； 
图13为图12中各桥臂的控制信号波形示意图； 
图14为图12前置升压DC/DC时的驱动电路示意图； 
图15为本发明另一种单极性两相直流脉动输出电路示意图； 
图16为本发明一种仅需两只开关晶体管的单极性两相直流脉动输出电路示意图； 
图17为本发明一种可以回馈能量的单极性两相直流脉动输出电路示意图。 
具体实施方式
如图3a及图3b所示，为一种多面体螺纹驱动一体化超声电机及其直接驱动的光学透镜组，该超声电机包括设有中心圆孔的定子31和转子33。定子31由一空心柱状金属体构成，其上固定有数个压电元件32，转子33则由内嵌光学透镜组34的回转壳体组成。定子31基体与转子33通过螺纹35相配合，即定子31的中心圆孔内壁设有内螺纹，转子33的外表面设有相应的外螺纹，两者具有相同的螺距。定子31基体的外形为多面体状或圆柱状并具有空心内壁，其金属材质使得其上的压电元件32有了一个公共节点，称之为公共地。针对图3a所示的多面体螺纹驱动一体化超声电机，采用了极化方式如下，即每四个一组相邻的压电片依次采用++--的极化方式(相邻两片正向极化，再下两片反向极化)。如图4所示，压电元件32由压电片41-48组成，压电片41-48依次按++--++--的方式极化。而且，驱动压电元件32的驱动电压不再是加在两个压电片之间，而是加在每一个压电片与金属内环(公共地)之间。这样，参考图4，一组中被正向极化的压电片与同组中相 对的另一个被负向极化的压电片不再是串联供电，而是变为并联供电。即在压电片41、43、45、47与公共地间输入Asinωt，在压电片42、44、46、48与公共地间输入Acosωt，其中A为驱动单个压电片所需的电压。这样，超声电机所需的电源电压仅为其它驱动方式的一半，有效降低了驱动电压的幅值。 
但是，由于所述超声电机中金属内环的短接作用，在尝试用正交的方波电压代替前述的正弦波电压时，图2所示的双H桥方案并不能直接应用到图3所示的超声电机上。原因是在此情况下，如图5a，超声电机的金属内环将桥臂22与24的中点短接，如图5a中虚线所示，导致桥臂22与24上的开关晶体管无法分别与充分控制。 
实际上，在金属内环的短接作用下，图5a可转化为图5b，只剩下三只有效桥臂，电路变为三相全桥电路。针对于此，本发明提出了采用三相桥式逆变电路输出两相正交电压的控制方法： 
针对有金属内环、压电元件共地的超声电机如图3a，采用如图4所示的极化方式，压电片41、43、45、47的一个出线端子接至第一节点A，另一个出线端子接至第二节点B，而压电片42、44、46、48的一个出线端子接至第三节点C，另一个出线端子也接至第二节点B，第二节点B为各压电元件的公共地。并采用图5b所示的三相桥式逆变电路作为驱动电路，其三桥臂分别为第一桥臂51、第二桥臂52，以及第三桥臂53，其三桥臂的输出端子分别与超声电机的第一节点A、第二节点B、第三节点C相连； 
该三桥臂的控制方式如下： 
1.各桥臂均采用180°方波控制信号(图6a)，频率为超声电机在共振区域内的频率；桥臂中上下管互补导通，实际控制中，为防止桥臂上下管直通，还需设置一定的死区时间。 
2.第一桥臂51相位初始角为0(图6a-A)，第三桥臂53与第一桥臂51反相(图6a-C)，第二桥臂52相位滞后第一桥臂5190°电角度(图6a-B)。或第二桥臂52相位超前第一桥臂5190°电角度(图中未示出)，此时超声电机反转。 
3.输出为两相相差90°电角度的交流方波电压(图6b)，分别取自第一桥臂51的中点与第二桥臂52的中点之间(AB)或第三桥臂53的中点与第二桥臂52的中点之间(CB)，幅值为单个压电片所需电压的幅值，频率为超声电机在共振区域内的频率。 
4.桥式逆变电路之前可以前置升压DC/DC开关电路，如图7所示，用于将供电电压变换至所需的电压值。例如，在用电池供电的场合下，用升压DC/DC开关电路将电压提升至一定数值。该升压DC/DC开关电路由一个电感L、一只晶体管、一只二极管D1、一只电容C2组成，其中电感L的一端接电源输入，另一端接晶体管的集电极及二极管D1的阳极，晶体管则接在电感L的输出端与地之间，二极管D1接在电感L的输出端与整个电路的输出端子之间，电容C2接在整个电路的输出端子与地之间。 
进一步的，可以采用各种PWM，如SPWM，SVPWM等控制方式来代替方波控制，使输出波形更接近正弦波。 
采用三相桥式电路输出两相正交电压的优点是仅需六只开关管，采用++--的极化方式可以有效地降低供电电源的电压幅值，进而可以简化驱动电路，提高驱动电路的效率，降低成本，特别有利于超声电机在电池供电的手持类设备中应用。 
采用三相桥式电路输出两相正交电压的另一个好处，是该电路还可以采用另一种控制方式来输出对称的三相电压。这样，当压电电机为三相结构时，或两相/三相兼容结构时，电机可以采用三相电压驱动，从而为同一个电机，同一套驱动电路提供了另一个选择，或者用同一套驱动电路分别驱动两个或以上的同类转子。 
图8a及图8b示出了一台三相结构的超声电机，设有中心圆孔的定子81和转子83。定子81由一空心柱状金属体构成，其上固定有数个压电元件82，转子83则由内嵌光学透镜组84的回转壳体组成。定子81基体与转子83通过螺纹85相配合，即定子81的中心圆孔内壁设有内螺纹，转子83的外表面设有相应的外螺纹，两者具有相同的螺距。定子81基体的外形为多面体状或圆柱状并具有空心内壁，其金属材质使 得其上的压电元件有了一个公共节点，称之为公共地。因为两相驱动的超声电机其压电元件多为四的倍数，而三相驱动的超声电机其压电元件须为三的倍数，示例中的结构为六个压电元件，如图9所示，分别为压电片92、93、94、96、97、98，即可以在图4的基础上再减少两个压电陶瓷元件。在采用三相驱动时，电机的极化与接线方式如图9所示，驱动电路图仍如图5b，驱动波形见图10。 
针对有金属内环、压电元件共地的压电超声电机如图8，采用如图9所示的极化方式，压电片92、93、94、96、97、98依次按++++++的方式极化，压电片92、96的一个出线端子接到第一节点A，另一个出线端子接到公共地，压电片93、97的一个出线端子接到第二节点B，另一个出线端子接到公共地，压电片94、98的一个出线端子接到第三节点C，另一个出线端子接到公共地，并采用图5b所示三相桥式逆变电路作为驱动电路，其三桥臂分别为第一桥臂51、第二桥臂52，以及第三桥臂53，其三桥臂的输出端子分别与超声电机的第一节点A、第二节点B、第三节点C相连；其三桥臂的控制方式如下： 
1.各桥臂均采用180°方波控制信号(图10a)，也可以采用120°方波控制信号，频率为超声电机在共振区域内的频率；桥臂中上下管互补导通，实际控制中，为防桥臂上下管直通，还需设置一定的死区时间。 
2.第一桥臂51相位初始角为0(图10a-A)，第二桥臂52相位滞后第一桥臂51120°电角度(图10a-B)，第三桥臂53相位再滞后第二桥臂52120°电角度(图5a-C)。或第二桥臂52、53相位依次超前第一桥臂51120°电角度(图中未画出)，此时超声电机反转。 
3.输出为三相相差120°电角度的交流电压(图10b)，分别取自第一桥臂51、52及第三桥臂53的中点并作Y连接，幅值为两个压电片串联所需电压的幅值，频率为超声电机在共振区域内的频率。 
4.桥式逆变电路之前可以前置升压DC/DC开关电路，用于将供电电压变换至所需的电压值。例如，在用电池供电的场合下，用升压式升压DC/DC开关电路将电压提升至一定数值(图7)。 
进一步的，可以采用各种PWM，如SPWM，SVPWM等控制方式来代替 方波控制，使输出波形更接近正弦波。 
采用三相桥式电路输出三相对称电压的优点是仅需六只开关管，电路简单，便于IC化，输入电流自动平衡，输出力矩脉动小，应用前景广阔。 
在传统的超声电机控制方式中及以上改进的控制方法中，所采用的电源均为双极性的，即输出电压为交流，这样在其电路实现时，必须采用逆变电路。逆变电路所需的晶体管数量，分别为8只(双H桥)或六只(三相桥两相正交输出)，输出频率一般在音频范围以上，例如从15kHz到200kHz，电路中的被动元件如电感、电容的工作频率也在此范围。为了进一步提高电路中被动元件的工作频率，减小电源的体积，本发明还提出了超声电机的单极性供电的方法，如图11，针对如图3所示的有金属内环的压电超声电机，仍采用++--的极化方式，即压电片112、113、114、115、116、117、118、111依次按++--++--方式极化，压电片112、114、116、118的一个出线端子接至第一节点A，另一个出线端子接至第三节点C，而压电片111、113、115、117的一个出线端子接至第二节点B，另一个出线端子也接至第三节点C，第三节点C为各压电元件的公共地。电源输出级采用双半桥直流脉动供电的方式，其电路见图12，包括第一桥臂121及第二桥臂122，该两桥臂的输出端子分别与超声电机的第一节点A以及第二节点B相连，各桥臂的控制方式如下： 
1.各桥臂上管均采用180°方波或其它导通角的方波控制信号(图13)；桥臂中上下管互补导通(实际控制中，为防桥臂上下管直通，还需设置一定的死区时间)。 
2.第一桥臂121相位初始角为0(图13-A)，第二桥臂122滞后第一桥臂121 90°电角度(图13-B)。或第二桥臂122相位超前第一桥臂121 90°电角度(图中未画出)，此时超声电机反转。 
3.输出为两路相位相差1/4周期的直流脉动方波电压，分别取自第一桥臂121的中点或第二桥臂122的中点与公共地之间，幅值为DC/DC开关电路输出值，脉动频率为超声电机在共振区域内的频率。 
4.双半桥直流脉动电路之前可以前置升压DC/DC开关电路，用于将供电电压变换至所需的电压值。例如，在用电池供电的场合下，用升压DC/DC开关电路将电压提升至一定数值，如图14所示。 
进一步的，可以采用各种PWM，如SPWM，SVPWM控制方式来代替方波控制，使脉动直流输出波形更接近正弦波。 
图12中的电路，虽然是单极性输出，但仍然使用了四只晶体管才得到两路脉动的直流输出，在前端还有升压电路的情况下，加上升压DC/DC开关电路所需的至少一只晶体管，共需五只晶体管。由单极性电路的产生原理，我们可以得知，产生一路直流输出，最少仅需一只晶体管，两路则需两只。 
如图15，驱动电路简化为两路升压DC/DC开关电路，其每路均输出同频、但相位相差1/4周期的直流脉动信号。每路升压DC/DC开关电路由一个电感、一只晶体管、一只二极管、一只电容组成，其中电感的一端接电源输入，另一端接晶体管的集电极及二极管的阳极，晶体管则接在电感的输出端与地之间，二极管接在电感的输出端与整个电路的输出端子之间，电容接在整个电路的输出端子与地之间。其中为了输出脉动信号，在整个电路的输出端子与地之间还分别接有一个晶体管Q3、Q4，来给压电元件的电容放电。 
此方法仅需四只晶体管，加上适当的***电路，便可以实现超声电机的驱动。而且，由于输出为直流信号，可以大幅提高晶体管的开关频率，如至数百kHz甚至数兆Hz，可以大大减小升压DC/DC开关电路所需的电感及电容数值与体积，促进驱动电路的微型化与集成化。 
在一定情况下，用于给压电元件放电用的两只晶体管Q3、Q4可以省去，从而得到最简化的电路如图16。 
或者，采用如图17所示的电路，在每个升压电路的晶体管上反向并联一个二极管，而每个升压电路中的二极管反向并联一个晶体管。控制反向并联的晶体管以使压电元件负载的电能回馈给输入电源，提升效率。 
以上采用单极性直流脉动电压供电的电路可以取代通常的交流输 出，因为是直流输出，可以大大提高晶体管的开关频率，达到数百kHz甚至数兆Hz，便于驱动电路的微型化与集成化。 
实施例1： 
根据图3，本实施例的超声电机包括设有中心圆孔的定子31和转子33。定子31由一空心柱状金属体构成，其上固定有数个压电元件32，转子33则由内嵌光学透镜组34的回转壳体33组成。定子31基体与转子33通过螺纹35相配合，即定子31的中心圆孔内壁设有内螺纹，转子33的外表面设有相应的外螺纹，两者具有相同的螺距与公称直径。定子基体31的外形为多面体状或圆柱状并具有空心内壁，其金属材质使得其上的压电元件有了一个公共节点，螺纹的表面经耐磨处理或涂有耐磨材料，螺纹的截面可以是三角形、梯形、矩形以及凸面等各种形式及其组合，螺纹的线形可以是连续的、分段的或特定轨迹的曲线。 
压电元件的极化及其驱动电源的连线如图4所示。压电片41-48采用++--++--的方式极化，再依次接入图5b所示电路的第一桥臂51与第三桥臂53的中点，同时将第二桥臂52的中点与定子的公共地相连后，压电片受激励并在定子上形成一按顺时针方向旋转的振动行波，该行波再通过摩擦作用带动转子转动。在定、转子之间存在螺纹配合的情况下，转子在转动的同时还可以作轴向移动。相应的，转子上的光学透镜组被直接带动而改变了位置，从而产生了焦距调节的效果。 
在此实施例中，第一桥臂51、第二桥臂52、第三桥臂53的控制方式如图6a所示，而图6b则示出了加载于各压电元件与公共地之间的实际电压波形UAB、UCB。 
实施例2： 
实施例2与实施例1的不同之处仅在于驱动电源的电路不同。如图7所示，在图5b所示的桥式逆变电路之前加了一个升压DC/DC开关电路，目的是提升供电电压。例如，在用电池供电的场合下，用升压DC/DC开关电路将电压提升至一定数值。 
当然，如果供电电压高于压电元件所需的驱动电压，也可以同理采用降压DC/DC来实现。 
实施例3 
实施例3的超声电机见图8，其基本构造形式与图3类似，不同之处仅在于压电元件的数目不同，为6个，使得该电机可以用三相电源来驱动，方式如下： 
压电元件的极化及其驱动电源的连线如图9所示。压电片92-94、96-98全部采用正向极化，在依次接入图5b所示电路的第一桥臂51、第二桥臂52、第三桥臂53的中点后，压电片受三相电源的激励并在定子上形成一按顺时针方向旋转的振动行波，该行波再通过摩擦作用带动转子转动。在定、转子之间存在螺纹配合的情况下，转子在转动的同时还可以作轴向移动。 
在此实施例中，第一桥臂51、第二桥臂52、第三桥臂53的控制方式如图10a所示，而图10b则示出了加载于各压电元件与公共地之间的实际电压波形UAB、UBC、UCA。 
实施例4 
在实施例4中，仍采用实施例1中的超声电机，其压电元件的极化方式也相同，其驱动电源的连线如图11所示。在依次接入图12所示电路的第一桥臂121与第二桥臂122的中点，同时将电机的公共地与电源的地相连后，压电片受激励并在定子上形成一按顺时针方向旋转的振动行波，该行波再通过摩擦作用带动转子转动。在定、转子之间存在螺纹配合的情况下，转子在转动的同时还可以作轴向移动。 
在此实施例中，第一桥臂121、第二桥臂122的控制方式如图13所示。 
实施例5 
实施例5与实施例4的不同之处仅在于驱动电源的电路不同。如图14所示，在图13所示的桥式电路之前加了一个升压DC/DC开关电路，目的是提升供电电压。例如，在用电池供电的场合下，用升压DC/DC开关电路将电压提升至一定数值。 
当然，如果供电电压高于压电元件所需的驱动电压，也可以同理采用降压DC/DC来实现。 
实施例7 
在实施例7中，仍采用实施例1中的超声电机，其压电元件的极化方式也相同，其驱动电源的连线如图15所示。在依次接入图15所示电路的输出端子，同时将电机的公共地与电源的地相连后，压电片受激励并在定子上形成一按顺时针方向旋转的振动行波，该行波再通过摩擦作用带动转子转动。在定、转子之间存在螺纹配合的情况下，转子在转动的同时还可以作轴向移动。 
实施例8 
实施例8与实施例7的不同之处仅在于驱动电源的电路不同。如图16所示。 
实施例9 
实施例9与实施例7的不同之处仅在于驱动电源的电路不同。如图17所示。 

Claims (9)

1.一种超声电机的驱动方法，其特征在于：
A、将超声电机的压电元件两两分组，每组第一个压电元件的一个出线端子接至第一节点，另一个出线端子接至第二节点；而每组第二个压电元件的一个出线端子接至第三节点，另一个出线端子也接至第二节点，第二节点为各压电元件的公共地，每四个一组相邻的压电元件采用++--的极化方式；
B、采用三相全桥逆变电路，所述三相全桥逆变电路包括第一桥臂、第二桥臂，以及第三桥臂，其三桥臂的输出端子分别与超声电机的第一节点、第二节点、第三节点相连；
C、控制第一桥臂的上下晶体管各自导通180°且对称导通；第三桥臂的控制波形同第一桥臂但反相；第二桥臂的控制波形同第一桥臂但滞后或超前90°相位角；
D、第一节点及第二节点之间的输出电压以及第三节点及第二节点之间的输出电压为两相相差90°相位角的交流方波电压，频率为超声电机在共振区域内的频率。
2.根据权利要求1所述的超声电机的驱动方法，其特征在于：三相全桥逆变电路前置DC/DC开关电路，将供电电压变换到所述压电元件所需的电压幅值。
3.一种超声电机的驱动方法，其特征在于：
A、超声电机的压电元件三三分组，每组第一个压电元件的一个出线端子接至第一节点，另一个出线端子接至第四节点；每组第二个压电元件的一个出线端子接至第二节点，另一个出线端子也接至第四节点；每组第三个压电元件的一个出线端子接至第三节点，另一个出线端子也接至第四节点；第四节点为各压电元件的公共地，压电元件全部采用正向极化；
B、采用三相全桥逆变电路，所述三相全桥逆变电路包括第一桥臂、第二桥臂，以及第三桥臂，其三桥臂的输出端子分别与超声电机的第一节点、第二节点、第三节点相连；
C、控制第一桥臂的上下晶体管各自导通180°且对称导通；第二桥臂的控制波形同第一桥臂但滞后或超前120°相位角；第三桥臂的控制波形同第一桥臂但滞后或超前240°相位角；
D、第一节点及第二节点之间的输出电压、第二节点及第三节点之间的输出电压，以及第三节点及第一节点之间的输出电压为三相互差120°相位角的交流方波电压，频率为超声电机在共振区域内的频率。
4.根据权利要求3所述的超声电机的驱动方法，其特征在于：三相全桥逆变电路前置DC/DC开关电路，将供电电压变换到所述压电元件所需的电压幅值。
5.一种超声电机的驱动方法，其特征在于：
A、将超声电机的压电元件两两分组，每组第一个压电元件的一个出线端子接至第一节点，另一个出线端子接至第三节点；而每组第二个压电元件的一个出线端子接至第二节点，另一个出线端子也接至第三节点；第三节点为各压电元件的公共地，每四个一组相邻的压电元件采用++--的极化方式；
B、采用两只半桥电路，包括第一桥臂以及第二桥臂，其输出为两路，分别与超声电机的第一节点与第二节点相连，半桥电路的地则与超声电机的第三节点相连；
C、控制第一桥臂的上下晶体管各自导通一定的导通角；第二桥臂的控制波形同第一桥臂但滞后或超前第一桥臂90°相位角；
D、输出为两路相位相差90°相位角的直流脉动电压，脉动的频率为超声电机在共振区域内的频率。
6.根据权利要求5所述的超声电机的驱动方法，其特征在于：所述两半桥电路前置DC/DC开关电路，将供电电压变换到所述压电元件所需的电压幅值。
7.一种超声电机的驱动方法，其特征在于：
A、将超声电机的压电元件两两分组，每组第一个压电元件的一个出线端子接至第一节点，另一个出线端子接至第三节点；而每组第二个压电元件的一个出线端子接至第二节点，另一个出线端子也接至第三节点；第三节点为各压电元件的公共地，每四个一组相邻的压电元件采用++--的极化方式；
B、采用两只升压DC/DC开关电路，分别为第一升压DC/DC开关电路以及第二升压DC/DC开关电路，将供电电压变换到所需幅值；其输出分别与超声电机的第一节点与第二节点相连；
C、所述每一个升压DC/DC开关电路由一个电感、一只晶体管、一只二极管组成，其中电感的一端接电源输入，另一端接晶体管的集电极及二极管的阳极，晶体管则接在电感的输出端与地之间，二极管接在电感的输出端与整个电路的输出端子之间；
D、控制第一升压DC/DC开关电路以一定频率脉动；第二升压DC/DC开关电路的脉动频率与第一升压DC/DC开关电路相同但滞后或超前第一升压DC/DC开关电路1/4周期；
E、输出为两路相位相差1/4周期的直流脉动电压，幅值为升压DC/DC开关电路输出值，脉动频率为超声电机在共振区域内的频率。
8.根据权利要求7所述的超声电机的驱动方法，其特征在于：在每一个升压DC/DC开关电路的输出端子与地之间还接有一个晶体管，控制晶体管以脉动频率给压电元件负载周期性放电。
9.根据权利要求7或8所述的超声电机的驱动方法，其特征在于：每个升压DC/DC开关电路中的晶体管还反向并联了一个二极管，而每个二极管还反向并联了一个晶体管。
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