行波超聲電動機驅動電源的設計研究?

摘要：基于行波超聲電動機驅動系統的工作原理，利用現代開關電源技術，設計出了一種推挽式智能型高頻驅動電源。實驗結果表明該電源可自動跟蹤電動機的諧振頻率，也可較好地滿足行波超聲電動機的工作要求。

關鍵詞：超聲電動機；驅動電源；頻率跟蹤；脈寬調制

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（USM）是近幾年研制開發的一種新型微驅動器。USM突破了傳統電動機的電磁耦合概念，而是依靠壓電陶瓷的逆壓電效應實現能量的傳遞。USM與傳統電動機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在微型機械、精密加工、汽車和機電一體化等領域中有著良好的應用前景。由于USM為容性負載，如何解決USM驅動系統中的電源問題，已引起從事USM研究與應用的科技工作者的廣泛關注[2][3]。本文針對行波超聲電動機驅動系統的工作原理，采用了先進的開關電源技術，以推挽式逆變器作為主電路，輔以脈寬調制（PWM）控制電路和MOSFET驅動電路，設計了一種新型USM驅動電源[4]。實驗結果表明該電源既可滿足驅動系統同頻同幅、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? 驅動控制系統方案

??? 行波USM不同于傳統電動機，為容性負載，負載電壓不能突變。為了使行波USM定子彈性產生周向行波，在金屬圓板一側周向部分膠結空間差1/4波長的兩組壓電陶瓷陣列。當兩組相位差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。驅動系統原理如圖1所示。其主要由方波發生電路，逆變主電路，頻率自動跟蹤電路，驅動電路和功率放大電路等部分組成。

圖1? 行 波USM驅 動 系 統 原 理 框 圖

2? 驅動電源組成及原理

??? 由驅動系統原理可知，驅動系統要求驅動電源的設計應使壓電振子環產生單向行波，且為同頻率同幅度互差90°的方波信號，故需要驅動電源有兩路輸出，電源的頻率應與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。根據電源設計要求：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、頻率可調節；工作頻率為50kHz；功率為100W；適應電動機工作環境和攜帶方便。本文設計的USM的驅動電源，如圖2所示。主要由控制電路、功率驅動電路、逆變主電路、反饋電路和保護電路等部分組成。

圖2? 驅 動 電 源 組 成 框 圖

2．1? PWM控制電路

??? 在控制電路規定的周期（頻率）范圍內，將直流電壓調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制芯片SG3525為核心，輔以部分外圍電路構成，如圖3所示。所需要的兩路信號可控制電動機的正反轉，并保持可控的相位關系。當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時間由R5和C1決定。當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。本電源將單片機系統產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，以實現頻率自動跟蹤。

2．2? 逆變主電路

??? 逆變電路采用推挽式拓撲結構，使用MOSFET作為開關器件，采用復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

??? 在PWM控制電路的控制下開關器件（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的同時關斷，有效地提高了電源的穩定性。

??? 關于主電路的效率分析：

??? 忽略MOSFET的開關損耗，并設定D=100％，則開關電源的輸入功率PI為

?????? PI=UIII????? （2）

式中：UI、II分別為開關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）

??? 如果忽略開關的通態損耗，則總開關損耗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、開關性能較好的MOSFET管，并根據USM的具體要求取D=40％，主電路的效率為75％。

2．3? 過電流保護電路

??? 過電流保護電路主要任務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斷系統，以避免器件和電動機的損壞。電路原理如圖5所示。

圖5? 過 流 保 護 電 路 原 理

??? 電路中電阻R1、R2對輸出進行采樣，當電路中電流增大時，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為負時，輸出電壓UF為

???????? ???????? (7)

??? 適當選擇各電阻值，過電流時可以可靠地關斷控制電路。

3? 實驗及結語

??? 利用本驅動電源對一臺行波USM樣機進行了實驗。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。實驗結果表明，電源工作可靠，跟蹤頻率正確，具有較強的抗干擾能力。

(a)? SG3525控 制 端 輸 出 波 形

(b)? 電 源 輸 出 電 壓 波 形

圖6? 電 源 輸 出 波 形

??? 1）由于本系統采用單片機控制，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0.1μs，提高了電源的工作精度。

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

參考文獻

[1]? 史儀凱.超聲電動機的發展現狀及應用前景[J].機械科學與技術,1998,17(4):626－629.

[2]? S.Ueha, Y.Tomikawa, M.Kurosawa,N.Nakamwa. Ultrasonic Motors Theory and Application[M]. CLARENDON PRESS. OXFORD,1993.

[3] T.Senjyu, K.Uezato, H.Miyazto. Adjustable Speed Control of Ultrasonic Motors by Adaptive Control[J]. IEEE Trans.On power Electronics 1995.10(5): 532－ 538.

[4]? 王水平，付敏江.開關穩壓電源原理、設計與實踐[M].西安電子科技大學出版社,1997.??