一種新型超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

牛德森++李有光

摘 要：超聲波電機(jī)需要工作在超聲頻域內(nèi)，根據(jù)各種電機(jī)的不同結(jié)構(gòu)型式，其驅(qū)動(dòng)電源必須能夠提供輸出頻率在20～100 kHz范圍的高頻電壓，產(chǎn)生的兩相電壓為具有相同頻率、電壓幅值相同的正弦交流驅(qū)動(dòng)電壓，并且這兩相電壓具有一定的相位差，超聲電機(jī)對(duì)電壓幅值有很高的要求，必須在幾百伏甚至上千伏。該文闡述了行波超聲電機(jī)的特點(diǎn)及對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求，介紹了移相控制芯片UCC3895及移相控制策略的基本原理。最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，得出了電機(jī)相位差與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。

關(guān)鍵詞：行波超聲電機(jī) 移相控制 UCC3895 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM356 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）11（a）-0001-02

超聲波電機(jī)（簡(jiǎn)稱USM）是一種新型電機(jī)，它不同于傳統(tǒng)電機(jī)。由于壓電材料具有逆壓電的效應(yīng)，超聲電機(jī)應(yīng)用這一原理將高頻信號(hào)加到其內(nèi)部定子上，從而使定子表面的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生有規(guī)律的橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，由定子和轉(zhuǎn)子的摩擦作用帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。超聲波電機(jī)需要工作在超聲頻域內(nèi)，根據(jù)各種電機(jī)的不同結(jié)構(gòu)型式，其驅(qū)動(dòng)電源必須能夠提供輸出頻率在20～100 kHz范圍的高頻電壓，產(chǎn)生的兩相電壓為具有相同頻率、電壓幅值相同的正弦交流驅(qū)動(dòng)電壓，并且這兩相電壓具有一定的相位差，超聲電機(jī)對(duì)電壓幅值有很高的要求，必須在幾百伏甚至上千伏。這種新型電機(jī)具有一系列傳統(tǒng)電機(jī)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，比如其能量密度大、響應(yīng)速度快、體積很小結(jié)構(gòu)緊湊、低速大力矩、幾乎不受電磁干擾的影響以及能夠進(jìn)行斷電自鎖等，因此近年來，超聲電機(jī)已經(jīng)在微型機(jī)機(jī)器人、航天精密儀器、家用電器控制系統(tǒng)、航空航天用特種電機(jī)等方面有了廣泛的應(yīng)用[1]。目前對(duì)超聲波電機(jī)的控制量主要有3種：電壓幅值控制，兩相相位差大小的控制以及頻率的控制。

1 行波超聲電機(jī)的工作原理

通過信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生在時(shí)間和空間分別相差1/4周期的2列相同頻率、相等電壓幅值的駐波信號(hào)，在超聲電機(jī)的定子上合成相同頻率、具有一定相位差的一列行波，從而可以帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。通過對(duì)2列正弦電壓波的電壓幅值進(jìn)行精確控制，達(dá)到了對(duì)超聲電機(jī)轉(zhuǎn)速控制能夠平滑過渡、精確控制的目的。該文采取了全橋移相控制的技術(shù)。信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生2路相同頻率、相位差為的信號(hào)，通過整形電路分別將其輸入到2片UCC3895芯片中，其中每片UCC3895可以產(chǎn)生一路移相控制信號(hào)，用以對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片IR2110進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，得以驅(qū)動(dòng)主回路。同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)還需進(jìn)行匹配電感的工作，濾去電路中的高次諧波分量，產(chǎn)生2路相位差為正弦波信號(hào)，將其分別加載到超聲電機(jī)的定子上，使得電機(jī)開始工作[2]。

由于超聲電機(jī)壓電材料負(fù)載表現(xiàn)為容性，區(qū)別于傳統(tǒng)電機(jī)的感性或阻性特點(diǎn)，因此在驅(qū)動(dòng)電源和電機(jī)之間必須加上匹配電路，用以改善驅(qū)動(dòng)電壓波形、減小電路中的高頻諧波分量，同時(shí)可以提高驅(qū)動(dòng)電路的效率，且能實(shí)現(xiàn)能量的較高轉(zhuǎn)換，使超聲電機(jī)具有足夠的功率，避免激發(fā)出超聲電機(jī)定子的非工作模態(tài)。所以該文采用移相控制技術(shù)對(duì)電機(jī)的電壓幅值進(jìn)行精確控制，即由調(diào)節(jié)移相角的大小角度的改變來控制輸出電壓的占空比[3]。

2 移相控制原理

全橋逆變?cè)砣鐖D1所示，移相控制的原理是：橋臂和輪流導(dǎo)通，各導(dǎo)通180°電角，橋臂和同理各導(dǎo)通180°電角。但和不是同時(shí)導(dǎo)通。比先導(dǎo)通一個(gè)角（移相角）。因?yàn)楹头謩e先于和導(dǎo)通，所以稱和為超前橋臂，和為滯后橋臂。

3 移相控制芯片UCC3895

UCC3895是美國TI公司針對(duì)移相控制方案推出的芯片。它的主要功能有：工作頻率為500 kHz，芯片的工作電流5 mA，軟啟動(dòng)/軟關(guān)斷時(shí)間可以調(diào)整，它可以從0%到 100%實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的相移控制，芯片內(nèi)有7 MHz寬帶的誤差比較放大器，最高工作頻率1 MHz[4]。

對(duì)UCC3895芯片主要做以下幾方面的設(shè)計(jì)。

（1）信號(hào)同步。UCC3895的6腳為外部信號(hào)輸入腳，在其輸入同步時(shí)鐘信號(hào)，相位差為。

（2）信號(hào)產(chǎn)生電路。邏輯信號(hào)產(chǎn)生電路是UCC3895的核心組成部分。UCC3895內(nèi)部的D觸發(fā)器對(duì)外部輸入信號(hào)進(jìn)行二分頻，會(huì)產(chǎn)生2個(gè)相位差為180°互補(bǔ)的方波信號(hào)，兩信號(hào)分別從OUTA和OUTB輸出，芯片內(nèi)部需要為這2個(gè)芯片同時(shí)設(shè)置死區(qū)時(shí)間。UCC3895芯片里的PWM方波比較器，比較所產(chǎn)生的波信號(hào)與誤差放大器，最終輸出一個(gè)方波信號(hào)。同時(shí)由芯片內(nèi)部邏輯電路產(chǎn)生的2個(gè)相位差為180°互補(bǔ)的方波信號(hào)，分別從OUTC和OUTD輸出，同理為其設(shè)置死區(qū)時(shí)間。此時(shí)OUTC以一個(gè)移相角先于OUTA導(dǎo)通，而OUTD同理也先于OUTB導(dǎo)通[5]。

（3）保護(hù)電路。輸入腳12是UCC3895內(nèi)部電流比較器的反相輸入端。當(dāng)檢測(cè)到電路出現(xiàn)過流時(shí)，該芯片可以鎖定輸出信號(hào)，芯片進(jìn)入軟啟動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)。

（4）死區(qū)時(shí)間。為防止同一橋臂的2個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，設(shè)置了死區(qū)時(shí)間：A-B死區(qū)設(shè)置腳（9腳）和C-D死區(qū)設(shè)置腳（10腳）。由式（1）可以確定同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管死區(qū)時(shí)間，

（1）

式中，為9腳DLAYAB與信號(hào)地之間所接電阻。

（5）工作頻率。震蕩周期可由式（2）得到，

（2）

4 測(cè)試結(jié)果

該文以課題組自制的行波型超聲電機(jī)為對(duì)象，通過所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制電路，對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速與相位差關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，測(cè)得諧振頻率為37.68 kHz，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示（Φ=0附近有死區(qū)）。

5 結(jié)論

由于超聲電機(jī)具有極強(qiáng)的非線性，當(dāng)利用頻率對(duì)其控制時(shí)，轉(zhuǎn)速跳動(dòng)范圍大，電機(jī)不能平滑的過渡。該文通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了兩相電壓的相位差大小與定子表面質(zhì)點(diǎn)軌跡運(yùn)動(dòng)速度有著近似成正比的關(guān)系，因此通過對(duì)相位差大小的控制便可以實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，同時(shí)也可以控制輸出電壓。

參考文獻(xiàn)

[1] 周斌.超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究[D].南京航空航天大學(xué)，2002.

[2] Li Youguang， Chen Zaili. Phase shifted ZVT–PWM high-frequency full-bridge inverter with auxiliary resonant nets for driving ultrasonic motor[C]//Proceedings of the Eighth International Conference.Nanjing，2005.

[3] 上羽貞行，富川義郎，著.超聲波馬達(dá)與應(yīng)用[M].楊志剛，鄭學(xué)倫，譯.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1997.

[4] 賀寶財(cái)，逢東. BiCMOS 相移諧振PWM 控制器UCC3895 原理及應(yīng)用[C]//中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第十屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.西安：中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)，2006.

[5] 李有光，陳在禮，郝銘，等.基于全橋移相控制策略的行波超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2007（10）：18-20.endprint