行波超聲電動機(jī)驅(qū)動電源的設(shè)計研究

摘要：基于行波超聲電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理，利用現(xiàn)代開關(guān)電源技術(shù)，設(shè)計出了一種推挽式智能型高頻驅(qū)動電源。實驗結(jié)果表明該電源可自動跟蹤電動機(jī)的諧振頻率，也可較好地滿足行波超聲電動機(jī)的工作要求。

關(guān)鍵詞：超聲電動機(jī)；驅(qū)動電源；頻率跟蹤；脈寬調(diào)制

Design of Driving Power Supply for Travelling Wave Ultrasonic Motor

SHI Yi-kai, SUN Peng, LI Duan- lian 

Abstract:For practical operation of an ultrasonic motor, a specific and individual power supply is necessary.Based on working principle of driving system of travelling ultrasonic motor, a type of intelligent power supply for used driving ultrasonic motor is designed by use of the modern switching power supply technology.The experiment indicates that power supply not only follows the tracks of resonance frequency of ultrasonic motor, but also meets the working demands of travelling ultrasonic motor. 

Keywords:Ultrasonic motor； Driving power supply； Frequency track； Pulse width modulation

    超聲電動機(jī)（USM）是近幾年研制開發(fā)的一種新型微驅(qū)動器。USM突破了傳統(tǒng)電動機(jī)的電磁耦合概念，而是依靠壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)能量的傳遞。USM與傳統(tǒng)電動機(jī)比較主要特點是體積小、重量輕、不受磁場影響、低速大扭矩[1]。因此，USM在微型機(jī)械、精密加工、汽車和機(jī)電一體化等領(lǐng)域中有著良好的應(yīng)用前景。由于USM為容性負(fù)載，如何解決USM驅(qū)動系統(tǒng)中的電源問題，已引起從事USM研究與應(yīng)用的科技工作者的廣泛關(guān)注[2][3]。本文針對行波超聲電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理，采用了先進(jìn)的開關(guān)電源技術(shù)，以推挽式逆變器作為主電路，輔以脈寬調(diào)制（PWM）控制電路和MOSFET驅(qū)動電路，設(shè)計了一種新型USM驅(qū)動電源[4]。實驗結(jié)果表明該電源既可滿足驅(qū)動系統(tǒng)同頻同幅、相位差90°的要求，且可自動跟蹤USM的諧振頻率，具有良好的柔性控制性能。

1  驅(qū)動控制系統(tǒng)方案

    行波USM不同于傳統(tǒng)電動機(jī)，為容性負(fù)載，負(fù)載電壓不能突變。為了使行波USM定子彈性產(chǎn)生周向行波，在金屬圓板一側(cè)周向部分膠結(jié)空間差1/4波長的兩組壓電陶瓷陣列。當(dāng)兩組相位差90°的交流信號分別加在兩組陶瓷陣列時，可在彈性體周圍形成移動彈性行波。驅(qū)動系統(tǒng)原理如圖1所示。其主要由方波發(fā)生電路，逆變主電路，頻率自動跟蹤電路，驅(qū)動電路和功率放大電路等部分組成。

圖1  行 波USM驅(qū) 動 系 統(tǒng) 原 理 框 圖

2  驅(qū)動電源組成及原理

    由驅(qū)動系統(tǒng)原理可知，驅(qū)動系統(tǒng)要求驅(qū)動電源的設(shè)計應(yīng)使壓電振子環(huán)產(chǎn)生單向行波，且為同頻率同幅度互差90°的方波信號，故需要驅(qū)動電源有兩路輸出，電源的頻率應(yīng)與USM的固有頻率相一致。USM的固有頻率及起振電壓的大小則由其幾何尺寸決定。根據(jù)電源設(shè)計要求：輸入電壓可為220V、頻率為50Hz的市電，或者為15V的直流電壓；輸出電壓為240V的方波信號、頻率可調(diào)節(jié)；工作頻率為50kHz；功率為100W；適應(yīng)電動機(jī)工作環(huán)境和攜帶方便。本文設(shè)計的USM的驅(qū)動電源，如圖2所示。主要由控制電路、功率驅(qū)動電路、逆變主電路、反饋電路和保護(hù)電路等部分組成。

圖2  驅(qū) 動 電 源 組 成 框 圖

2．1  PWM控制電路

    在控制電路規(guī)定的周期（頻率）范圍內(nèi)，將直流電壓調(diào)制為等幅不同脈寬的系列交流輸出脈沖信號。本文PWM控制電路以兩片集成脈寬調(diào)制芯片SG3525為核心，輔以部分外圍電路構(gòu)成，如圖3所示。所需要的兩路信號可控制電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并保持可控的相位關(guān)系。當(dāng)同步輸入端沒有外部脈沖時，通過CT、RT端的外接電阻、電容可與外部電路構(gòu)成振蕩電路，電源的輸出頻率為

     f=     （1）

式中：C1、R4、R5為振蕩器外接電容與電阻。

圖3  控 制 電 路 原 理

    電路中CT端的放電時間以及死區(qū)時間由R5和C1決定。當(dāng)同步輸入端外接輸入脈沖時，整個振蕩電路完全受此脈沖控制。因此，振蕩輸出頻率與該脈沖則保持一致。本電源將單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的方波信號作為外接輸入脈沖加在同步輸入端，這樣電源輸出頻率可由方波信號控制，以實現(xiàn)頻率自動跟蹤。

2．2  逆變主電路

    逆變電路采用推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用MOSFET作為開關(guān)器件，采用復(fù)合式緩沖電路限制電壓和電流變化率，如圖4所示。

圖4  逆 變 主 電 路  [!--empirenews.page--]

    在PWM控制電路的控制下開關(guān)器件（S1和S2）交替工作，在輸出端得到交變電壓。扼流線圈L1可防止用占空比D控制時S1、S2的同時關(guān)斷，有效地提高了電源的穩(wěn)定性。

    關(guān)于主電路的效率分析：

    忽略MOSFET的開關(guān)損耗，并設(shè)定D=100％，則開關(guān)電源的輸入功率PI為

       PI=UIII      （2）

式中：UI、II分別為開關(guān)電源的輸入電壓和電流。

    輸出功率PO為

    PO=UOIO      （3）

式中：UO、IO分別為開關(guān)電源的輸出電壓和電流。

    又變壓器的變比n為

      n≈   (4)

式中：UCES為MOSFT的飽和壓降。

    則推挽電路的效率η為

       η===≈        （5）

    如果忽略開關(guān)的通態(tài)損耗，則總開關(guān)損耗Δp為

         Δp=pr＋pf==(UC＋2UCES)IC     (6)

式中：UC為MOSFET的漏極電壓；

      tr、tf為脈沖的上升和下降時間。

    本文選擇tr、tf較小、開關(guān)性能較好的MOSFET管，并根據(jù)USM的具體要求取D=40％，主電路的效率為75％。

2．3  過電流保護(hù)電路

    過電流保護(hù)電路主要任務(wù)是檢測輸出電流的變化，并將其反饋到SG3525的控制端，在電流較大時可靠關(guān)斷系統(tǒng)，以避免器件和電動機(jī)的損壞。電路原理如圖5所示。

圖5  過 流 保 護(hù) 電 路 原 理

    電路中電阻R1、R2對輸出進(jìn)行采樣，當(dāng)電路中電流增大時，采樣電壓U1隨之增大，該信號反饋到3525的輸入端，及時調(diào)整輸出電壓UF。輸入電壓U1為正時，輸出電壓UF為

               （6）

輸入電壓U1為負(fù)時，輸出電壓UF為

                  (7)

    適當(dāng)選擇各電阻值，過電流時可以可靠地關(guān)斷控制電路。

3  實驗及結(jié)語

    利用本驅(qū)動電源對一臺行波USM樣機(jī)進(jìn)行了實驗。電源頻率可由信號控制,其輸出電壓為240V，峰值電壓為248.5V，紋波抑制比為16.51dB。SG3525控制端和電源輸出的電壓波形，如圖6所示。實驗結(jié)果表明，電源工作可靠，跟蹤頻率正確，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

(a)  SG3525控 制 端 輸 出 波 形  [!--empirenews.page--]

(b)  電 源 輸 出 電 壓 波 形

圖6  電 源 輸 出 波 形

    1）由于本系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，電源輸入的方波信號控制方便，故電源的輸出頻率可自動跟蹤USM的諧振頻率。

    2）采用8254檢測相位差，分辨率達(dá)0.1μs，提高了電源的工作精度。

    3）電源可實現(xiàn)欠壓鎖定和軟啟動，具有較好的防沖擊作用也可用于驅(qū)動其它大功率的USM。