超聲波電機推挽式驅動電源的設計制作

林星陵， 陳建毅

（廈門城市職業(yè)學院，福建 廈門 361008）

0 引言

超聲波電機是近幾十年來發(fā)展起來的一種新型電機，其工作原理與傳統(tǒng)電磁電機不同，它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應激發(fā)超聲振動，借助彈性體諧振放大，再通過摩擦耦合產生旋轉運動或直線運動。與傳統(tǒng)電機相比，超聲波電機有兩個顯著不同，一是超聲波電機的驅動需要超聲頻率，二是由于壓電材料具有容性負載的特性，不同于傳統(tǒng)電機的感性或阻性負載。因此，需為超聲波電機設計專門的驅動電源［1-4］。

1 總體設計方案

超聲波電機的驅動電路按相數(shù)可分為單相、兩相與三相。對于多數(shù)超聲波電機而言，由兩相頻率幅值相等、相位差為90°（或可調）的高頻交變信號來驅動壓電振子，電機便可正常工作［1，5-6］。本文將設計并制作一套輸出頻率可調、輸出電壓可調的驅動電源。

利用555定時器接成的自激多諧振蕩器方式，以此來產生高頻方波信號，同時采用D觸發(fā)器實現(xiàn)信號分頻和反向，產生兩路相位上相差90°的方波信號，通過推挽逆變式電路放大驅動信號的電壓，滿足驅動超聲波電機所需的電壓要求，考慮到超聲波電機是個容性負載，所以在驅動電路加入串聯(lián)電感匹配。

2 升壓方案

與其他升壓方案比，推挽式逆變器電路結構相對簡單，驅動相對簡單，且由于超聲波電機通常在數(shù)碼相機、車窗控制領域內作為伺服電機使用，其驅動一般都為低壓直流電源供電，推挽型電路比較合適［1］。推挽式逆變電路如圖1。

圖1 推挽式逆變電路工作原理圖

推挽式逆變電路的工作原理是：由前端波形發(fā)生器產生驅動信號v1、v2，利用推挽逆變電路，使得變壓器T1的兩個輸入端交替通斷，把Vcc（12 V直流電源）逆變成如圖2所示的交流電壓信號 U1，U1=Umsinωt；同理，在 v3、v4驅動下，將在變壓器T2的輸出端產生電壓信號U2，由于 v3、v4分別與 v1和 v2相位相差 90°，故 U2=Umcosωt。這里具有相位差 的 驅 動 信 號 v1、v2、v3和 v4是方波信號，由555產生的信號。其傳遞方框圖如圖3。

圖2 推挽式逆變器原理電路電流、電壓波形

圖3 超聲波電機驅動信號傳遞圖

推挽式逆變電路的主要優(yōu)點是導通路徑上串聯(lián)的開關管在任意時刻有且只有一個處于工作狀態(tài)，且驅動電路具有公共地，其電路相對簡單，但難以防止高頻狀態(tài)下變壓器的直流飽和。在逆變過程中應避免開關管同時接通的情況發(fā)生，同時，應避免開關管閉合的時間也太長，以免出現(xiàn)電源“直流短路”現(xiàn)象。

3 開關變壓器設計

開關變壓器的設計常用的有兩種方法，第一種是先求出磁芯窗口面積Aw與磁芯有效截面積Ae的乘積Ap（Ap=Aw×Ae，稱磁芯面積乘積），根據(jù) Ap值，查表找出所需磁性材料之編號；第二種是先求出幾何參數(shù)，查表找出磁芯編號，再進行設計。前者稱為AP法，后者稱為Kg法［7-8］。這里采用Kg法，經過計算比較，選擇磁芯型號EC35。原邊匝數(shù)取10匝，副邊繞組匝數(shù)取200匝。

4 開關電路硬件設計

4.1 9 0°移相電路設計

90°移相電路的實現(xiàn)，我們采用的是將兩個互為反向的信號分別二分頻。如圖4所示，方波信號A經反向后得到A信號，再分別對A和A進行二分頻，則得到A/2和A/2兩種信號，從圖4可以看出A/2和A/2兩種信號在相位上互差90°。

圖4 信號的二分頻

分頻器采用D觸發(fā)器實現(xiàn)，考慮到電路工作電壓范圍，采用4000系列CMOS邏輯電路中雙D觸發(fā)器CD4013。如圖5中U1、U2為D觸發(fā)器，其輸入D接在其反向輸出上組成二分頻電路，三極管Q13做反向器用，C9、R19組成基極加速電路，為使三極管反向輸出后的波形邊沿更陡。兩個D觸發(fā)器輸出/2、A/2和共4組信號，分別控制兩個逆變器的4個開關管［3］。

圖5 90°移相電路

4.2 驅動信號要求及其產生電路分析

為了在測試中能較為準確地找到電機的最佳頻率工作范圍，要求電源輸出頻率能連續(xù)調整，如果用單片機、DSP等處理器的定時器實現(xiàn)，較難實現(xiàn)比較小的頻率步進，所以這里選用模擬定時器實現(xiàn)，它可以實現(xiàn)用多圈電位器連續(xù)可調。這里用555定時器的自激多諧振蕩器方式實現(xiàn)，555這種工作方式輸出占空比不為50%，為了使輸出波形為精確的50%占空比，這里用了D觸發(fā)器對其信號進行2分頻，圖6中U3為D觸發(fā)器。

系統(tǒng)要求輸出頻率為15 kHz到100 kHz，因為前后信號需要進行2次二分頻，相當于四分頻。所以555的振蕩頻率在60 kHz到400 kHz調整。電路阻容器件參數(shù)如圖6。

4.3 開關管電路

該電路選擇高速MOSFET作為開關管，型號為IRF540N，其導通電阻比較小，為0.077 Ω，具體如圖7。雙路逆變器需要的4組MOSFEF開關電路是完全相同的設計。由于MOSFET的輸入電容比較大，一般在1 000 pF以上，不能直接用數(shù)字邏輯電路驅動。圖中小功率高速開關三極管Q7、Q8組成MOS管驅動電路，用來驅動MOS開關管IRF540N。C3、D1、R1為開關變壓器浪涌吸收電路，保護MOS管不被高壓浪涌擊壞。

圖6 脈沖產生電路

圖7 開關管電路

5 實驗結果分析與結論

本文所設計的超聲波驅動電路實物照如圖8所示，該電路滿足了以下的基本功能：1）頻率15 kHz到100 kHz連續(xù)可調；2）能輸出相位成90°的兩路高頻信號；3）每路輸出功率在25 W以上；4）輸出電壓有效值為240 V（輸入12 V）；5）輸入電壓為 5～15 V 直流電；6）為了能有更好的實驗效果，系統(tǒng)還加了散熱風扇，數(shù)碼管顯示頻率等功能。

圖8 推挽式驅動電源實物照

本文應用該電源對實驗室設計的超聲波電機進行驅動測試。在輸入電壓穩(wěn)定，定轉子間預壓力穩(wěn)定的條件下，我們測量了電機輸入頻率對電機輸出轉速的影響，形成轉速-頻率曲線，如圖9所示。

圖9 電機頻率-轉速的特性曲線

在輸入頻率穩(wěn)定，定轉子間的預壓力穩(wěn)定的條件下，我們測量了電機輸入電壓對輸出轉速的影響，形成轉速-電壓曲線，如圖10所示。

圖10 驅動電源輸入電壓與轉速的關系曲線圖

驅動電路的性能在一定程度上決定了超聲波電機的運行狀況。本文提出的設計方案結構簡單、可方便地實現(xiàn)驅動信號的調頻、調壓，能夠驅動超聲波電機平穩(wěn)、可靠地運行。如能加入一些邏輯器件，則可對電機進行各種控制。

［1］ 林星陵.縱扭復合型超聲波電機的設計制作與實驗研究［D］.廈門：華僑大學，2008.

［2］ 劉宏偉.圓柱定子彎曲振動超聲波電機及電源的設計與實驗研究［D］.廈門：華僑大學，2008.

［3］ 陳建毅.行波型超聲波電機設計制作及其控制系統(tǒng)的研究［D］.廈門：華僑大學，2003.

［4］ 鄭利.一種圓柱桿式超聲波電機及驅動系統(tǒng)的研究［D］.沈陽：東北大學，2012.

［5］ 姜楠，方光榮，劉俊標，等.一種超聲波電機驅動電源的研究［J］.壓電與聲光，2006,28（5）：549-550.

［6］ 鄭喆俊，楊明.超聲波電機驅動技術［J］.微特電機，2008（8）：62-65.

［7］ 陳向鋒，徐曄，孟祥朋，等.現(xiàn)有逆變器對PEMFC發(fā)電機適應性仿真與實驗研究［J］.農業(yè)工程技術（新能源產業(yè)），2009(8)：30-34.

［8］ 王水平，付敏江.開關電源原理與實用電路［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1997.