行波超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)研究

1、行波超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)研究        摘要：基于行波超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，利用現(xiàn)代 圖1  行 波USM驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 原 理 框 圖 2  驅(qū)動(dòng)電源組成及原理     由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理可知，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)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(hào)，故需要驅(qū)動(dòng)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(jì)要求：輸入電壓可為220V、頻率

2、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(hào)、頻率可調(diào)節(jié)；工作頻率為50kHz；功率為100W；適應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作環(huán)境和攜帶方便。本文設(shè)計(jì)的USM的驅(qū)動(dòng)電源，如圖2所示。主要由控制電路、功率驅(qū)動(dòng)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(dòng) 電 源 組 成 框 圖 21  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(hào)。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(hào)可控制電動(dòng)機(jī)的

3、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(shí)，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(shí)間以及死區(qū)時(shí)間由R5和C1決定。當(dāng)同步輸入端外接輸入脈沖時(shí)，整個(gè)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(hào)作為外接輸入脈沖加在同步輸入端，這樣電源輸出頻

4、率可由方波信號(hào)控制，以實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤。 22  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     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(shí)S1、S2的同時(shí)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開關(guān)

5、電源的輸入功率PI為        PI=UIII      （2） 式中：UI、II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開關(guān)電源的輸出電壓和電流。     又變壓器的變比n為       n   (4)

6、式中：UCES為MOSFT的飽和壓降。     則推挽電路的效率為        =        （5）     如果忽略開關(guān)的通態(tài)損耗，則總開關(guān)損耗p為          p=prpf=(UC2UCES)IC     (6) 式中：UC為MOSFET的漏極電壓；   

7、;    tr、tf為脈沖的上升和下降時(shí)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。 23  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(shí)可靠關(guān)斷系統(tǒng)，以避免器件和電動(dòng)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(duì)輸出進(jìn)行采樣，當(dāng)電路中電流增大時(shí)，采樣電壓

8、U1隨之增大，該信號(hào)反饋到3525的輸入端，及時(shí)調(diào)整輸出電壓UF。輸入電壓U1為正時(shí)，輸出電壓UF為                （6） 輸入電壓U1為負(fù)時(shí)，輸出電壓UF為                   (7)     適當(dāng)選擇各電阻值，過電流時(shí)可以可靠地關(guān)斷控制電路。

9、3  實(shí)驗(yàn)及結(jié)語     利用本驅(qū)動(dòng)電源對(duì)一臺(tái)行波USM樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。電源頻率可由信號(hào)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(shí)驗(yàn)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 (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(hào)控制方便，故電源的輸出頻率可自動(dòng)跟

10、蹤USM的諧振頻率。     2）采用8254檢測相位差，分辨率達(dá)0.1s，提高了電源的工作精度。     3）電源可實(shí)現(xiàn)欠壓鎖定和軟啟動(dòng)，具有較好的防沖擊作用也可用于驅(qū)動(dòng)其它大功率的USM。 參考文獻(xiàn) 1  史儀凱.超聲電動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景J.機(jī)械科學(xué)與技術(shù),1998,17(4):626629. 2  S.Ueha, Y.Tomikawa, M.Kurosawa,N.Nakamwa. Ultrasonic Motors Theory and ApplicationM. CLARENDON PRESS. OXFORD,1993. 3 T.Senjyu, K.Uezato, H.Miyazto. Adjustable Speed Control of Ultrasonic Motors by Adaptive ControlJ. IEEE Trans.On power Ele