兩相超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

于海濱 漆嘉林 趙本華 劉锏澤 劉德赟（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

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兩相超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

于海濱 漆嘉林 趙本華 劉锏澤 劉德赟
（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100094）

摘 要：兩相超聲電機(jī)是近年來(lái)普遍使用的一種先進(jìn)的超聲電機(jī)，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要產(chǎn)物。由于用于兩軸工作平臺(tái)的兩相超聲電機(jī)邏輯控制電路要求相對(duì)復(fù)雜，因此，本文提出了一種基于模擬式和數(shù)字式的解決方案，并對(duì)兩個(gè)方案的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比。研究表明，模擬式驅(qū)動(dòng)方案能夠有效解決前期對(duì)兩相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需求，但是卻不能很好地處理工作平臺(tái)兩軸之間的快速切換，且該方案操作繁瑣。而數(shù)字式驅(qū)動(dòng)方案能夠有效解決上述問(wèn)題，在驅(qū)動(dòng)波形的產(chǎn)生、功率放大和穩(wěn)定控制上更加簡(jiǎn)便、快捷。

關(guān)鍵詞：超聲電機(jī)；多自由度；驅(qū)動(dòng)電路

從當(dāng)前超聲電機(jī)的發(fā)展情況來(lái)看，單自由度超聲電機(jī)的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟。就國(guó)內(nèi)而言，在與其配套的驅(qū)動(dòng)電路方面的研究也逐漸深入，并取得了一系列矚目成績(jī)。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)精密裝置的驅(qū)動(dòng)提出了更高的要求，單自由度超聲電機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿足需要，此時(shí)兩相超聲電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，并憑借多個(gè)自由度、良好的性能以及齊全的功能等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。本提出了2種兩相超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路解決方案，并詳細(xì)對(duì)比了2種方案的特點(diǎn)。其中，對(duì)影響兩相超聲電機(jī)并聯(lián)諧振匹配的關(guān)鍵因素進(jìn)行了著重介紹。以下對(duì)兩相超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行詳細(xì)探討。

1 驅(qū)動(dòng)電路要求

應(yīng)用于兩軸工作平臺(tái)的兩相超聲電機(jī)主要由錐形頭、支撐板、疊層壓電陶瓷、下配重塊以及預(yù)緊螺栓等五部分組成，如圖1所示。其中，疊層壓電陶瓷又包含4個(gè)正向極化分區(qū)，如圖2所示。當(dāng)對(duì)A、B分別加sin t，對(duì)C、D分別加cos t正弦信號(hào)激勵(lì)時(shí)，能夠激發(fā)驅(qū)動(dòng)足沿XZ 平面呈逆時(shí)針?lè)较蜃鰴E圓運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿X 軸做負(fù)方向運(yùn)動(dòng)；切換A、B 及C、D 所加正弦信號(hào)相位差，能夠激發(fā)驅(qū)動(dòng)足沿XZ平面呈順時(shí)針?lè)较蜃鰴E圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿X軸做正方向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)對(duì)A、D 分別加sin t，B、C分別加cos t正弦信號(hào)激勵(lì)時(shí)，能夠激發(fā)驅(qū)動(dòng)足沿YZ 平面呈逆時(shí)針?lè)较驒E圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿Y軸呈負(fù)方向運(yùn)動(dòng)；切換A、D 及B、C 所加正弦信號(hào)相位差，能夠激發(fā)驅(qū)動(dòng)足沿YZ平面呈順時(shí)針?lè)较蜃鰴E圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿Y軸呈正方向運(yùn)動(dòng)。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由于超聲電機(jī)的主要任務(wù)在于產(chǎn)生正余弦激勵(lì)信號(hào)，因此，需要對(duì)邏輯電路的電子開(kāi)關(guān)控制進(jìn)行設(shè)置，將沿X軸和Y軸的驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離開(kāi)來(lái)，這樣一來(lái)，兩者就可以獨(dú)立進(jìn)行調(diào)節(jié)，不會(huì)對(duì)彼此產(chǎn)生影響。如果沒(méi)有做好上述工作，沿X軸和Y軸的驅(qū)動(dòng)信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)相互交叉的情況，容易出現(xiàn)短路，甚至將超聲電機(jī)的陶瓷片燒毀。

2 模擬式驅(qū)動(dòng)方案

2.1 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生原理

驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)ARM-LPC1788集成芯片時(shí)產(chǎn)生一路基準(zhǔn)方波PWM信號(hào)，當(dāng)通過(guò)分頻分相電路后，就會(huì)產(chǎn)生四路相位相差90°的PWM方波，經(jīng)適當(dāng)?shù)墓β史糯蠛筒⒙?lián)諧振匹配施加在疊層壓電陶瓷上。

2.2 并聯(lián)諧振匹配方案

當(dāng)電機(jī)靠近諧振頻率時(shí)，可以用RC并聯(lián)電路對(duì)其進(jìn)行表示。R為超聲電機(jī)可變等效電阻，C為超聲電機(jī)可變等效電容。疊層陶瓷片安全工作電壓峰值不超過(guò)100V。加入適當(dāng)?shù)念A(yù)壓力之后，四相分區(qū)電容均值為56nF，這樣一來(lái)，就可以將單相矩形波電壓源加在疊層壓電陶瓷兩相電容上。以A、B相為例，并聯(lián)電容為112nF，工作頻率為68kHz。圖2為超聲電機(jī)并聯(lián)諧振模型，其中CL1和CL2的作用相同，都是起到穩(wěn)壓的作用。

對(duì)于RLC串并聯(lián)電路來(lái)說(shuō)，在阻性負(fù)載狀態(tài)下，系統(tǒng)效率達(dá)到最高狀態(tài)，并且電容和電感均為無(wú)功功率消耗，電機(jī)為容性負(fù)載，因此，需要通過(guò)并聯(lián)電感使電路成為阻性。在工作過(guò)程中，超聲電機(jī)的R和C容性負(fù)載本身是變化的。在全范圍內(nèi)，匹配電路以及固定結(jié)構(gòu)是無(wú)法將阻性呈現(xiàn)出來(lái)的，所以，首先需要通過(guò)諧振公式將并聯(lián)電感大小試算出來(lái)，再根據(jù)電路對(duì)電感、占空比和電壓源進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。此外，也可以采取加入波形穩(wěn)壓電容的方法，將諧波分量輸入電流降到最小，這樣一來(lái)，功能消耗得以降低，而驅(qū)動(dòng)效率也將大大提高。

根據(jù)圖2模型得出的RLC并聯(lián)諧振模型，初始電容為112nF，當(dāng)電機(jī)處于諧振狀態(tài)時(shí)，感抗和容抗相等，電感為49μH。

在不考慮自身影響的情況下，變壓器副邊輸出的電壓源矩形波電壓峰值是30V，在并聯(lián)諧振作用下，最為合適的峰值應(yīng)當(dāng)是40V。如果過(guò)低，就容易出現(xiàn)負(fù)載率不夠的情況，無(wú)法驅(qū)動(dòng)電機(jī)；而如果峰峰值過(guò)高，則意味著輸入電流增大，將會(huì)降低電機(jī)的工作效率。所以，峰峰值的控制十分重要。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)靠近諧振頻率時(shí)，在充電狀態(tài)下，占空比的調(diào)節(jié)對(duì)阻性負(fù)載功耗將會(huì)產(chǎn)生直接影響，同時(shí)阻性負(fù)載功耗與輸入電壓源的大小也有著密切關(guān)系。在放電狀態(tài)下，功率、電容的消耗，電感存儲(chǔ)與釋放到阻性負(fù)載上的振蕩特性有著直接關(guān)系。除此之外，占空比和功率對(duì)放電的時(shí)間和衰減過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生影響。經(jīng)多次試驗(yàn)，當(dāng)L= 44μH，CL1=CL2=100nF，D=25%時(shí)，此時(shí)電機(jī)波形匹配達(dá)到最佳。

2.3 X軸與Y軸輸出信號(hào)邏輯控制

通過(guò)圖1我們不難看出，只有激勵(lì)疊層壓電陶瓷四個(gè)分區(qū)的正余弦信號(hào)時(shí)，需要進(jìn)行邏輯控制才能達(dá)到直線運(yùn)動(dòng)目的。

在選擇模擬驅(qū)動(dòng)方案下，采用分立元件對(duì)前端電路從信號(hào)發(fā)生到功率放大部分進(jìn)行固定，所以只能從變壓器副邊出來(lái)經(jīng)過(guò)并聯(lián)后，高頻交流電與加載到疊層壓電陶瓷的4個(gè)分區(qū)實(shí)施邏輯控制。在模擬驅(qū)動(dòng)方案下匹配出的電路能夠使電機(jī)在工作平臺(tái)上呈直線運(yùn)動(dòng)，具有良好的調(diào)頻調(diào)速特征。

圖2 LCPE四分區(qū)及激勵(lì)方式

3 數(shù)字式驅(qū)動(dòng)方案

3.1 數(shù)字式驅(qū)動(dòng)方案

驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)基準(zhǔn)方波信號(hào)與生成的分頻分相信號(hào)之間借助邏輯互連方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)的切換。主控制器選擇ARMLPC1788，該芯片能整合所有設(shè)置，并憑借其邏輯互聯(lián)這一強(qiáng)大功能，能夠手動(dòng)或者是程序設(shè)置對(duì)信號(hào)切換進(jìn)行控制。將芯片的48MHz系統(tǒng)主振頻率作為模塊時(shí)鐘源，這樣所產(chǎn)生的諧振工作頻率就能夠符合電機(jī)所需，每個(gè)PWM輸出端口經(jīng)過(guò)移相電路后都能夠產(chǎn)生兩路同頻相位相差180°的方波信號(hào)，通過(guò)外部功率放大等環(huán)節(jié)，就能夠形成符合電機(jī)運(yùn)行的高頻交流電。

3.2 匹配方案與波形輸出

（PWM輸出端口）在設(shè)置好引腳之后，方波信號(hào)從引腳處輸出，經(jīng)過(guò)功率放大升壓之后，加載到疊層壓電陶瓷的各個(gè)相分區(qū)上單獨(dú)匹配，構(gòu)成數(shù)字驅(qū)動(dòng)方案。經(jīng)試驗(yàn)，當(dāng)L=98μH，CL1= CL2=100nF，D=45%時(shí)，此時(shí)波形匹配最佳，輸出功率狀態(tài)最佳。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文基于兩相超聲電機(jī)在X-Y平臺(tái)上復(fù)雜的邏輯控制要求，提出了模擬式驅(qū)動(dòng)和數(shù)字式驅(qū)動(dòng)兩種方案，并對(duì)兩種方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明?？偟膩?lái)說(shuō)，模擬式驅(qū)動(dòng)方案能夠有效解決前期對(duì)平臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需求，但是卻不能很好地處理X軸和Y軸的快速切換，且該方案操作繁瑣。而數(shù)字式驅(qū)動(dòng)方案能夠有效解決上述問(wèn)題，在電路驅(qū)動(dòng)上更加簡(jiǎn)便、快捷，為兩相超聲電機(jī)的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，可以說(shuō)是當(dāng)前兩相超聲電機(jī)的最佳電路驅(qū)動(dòng)方法，具有較高的推廣價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

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中圖分類號(hào)：TP332

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