超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)探討

郝銘

（吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132021）

超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)探討

郝銘

（吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132021）

TRUM-60行波型超聲電機(jī)是文章的討論對(duì)象，為了更好地利用和挖掘出有關(guān)于伺服作動(dòng)的優(yōu)秀性能，以電氣在驅(qū)動(dòng)控制器的特性為起點(diǎn)，更加深入的研究了超聲電機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)技術(shù)。在這些方面的控制算法和驅(qū)動(dòng)以及策略研究獲得了一些收獲：雙PWM的功率所驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、迅速來(lái)回的動(dòng)態(tài)性能、直線納米級(jí)和旋轉(zhuǎn)角秒級(jí)在開(kāi)環(huán)情況下的分辨率、重復(fù)加點(diǎn)啟動(dòng)超聲電機(jī)。

超聲波；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)

1 超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路的工作原理

通過(guò)超聲電機(jī)在工作時(shí)的原理就能知道，多數(shù)的超聲電機(jī)在工作的時(shí)候要依靠驅(qū)動(dòng)給電路供應(yīng)0.1～10W的功率、100～350V的輸出信號(hào)峰、頻率為20kHz～100kHz、90°的相位差（或可調(diào)）、相同的兩路頻率的交變信號(hào)。再有，因?yàn)闄C(jī)械共振令系統(tǒng)產(chǎn)生的頻率能夠決定超聲電機(jī)在工作時(shí)最優(yōu)秀的頻率，而振動(dòng)系統(tǒng)的主要部分是壓電元件，它會(huì)隨著外面環(huán)境（例如預(yù)壓力、溫度等）的改變而改變其自身的共振頻率，所以要保障電機(jī)能夠平穩(wěn)運(yùn)行，就要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共振頻率的改變動(dòng)向，這樣一個(gè)優(yōu)秀的控制和驅(qū)動(dòng)電路才能在超聲電動(dòng)機(jī)上體現(xiàn)出來(lái)。

2 超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理

與古老的電磁電機(jī)的工作原理不同的是，超聲電機(jī)是通過(guò)摩擦來(lái)啟動(dòng)的，所以因?yàn)橐韵滤狞c(diǎn)而不容易為集中質(zhì)量建模：第一，滑動(dòng)率在轉(zhuǎn)子和定子面前是個(gè)未知數(shù)；第二，溫度會(huì)對(duì)諧振頻率產(chǎn)生影響而令其改變；第三，它的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象除了雜亂還具有非線性特征；第四，工作時(shí)轉(zhuǎn)子的壓力、定子和電壓、旋轉(zhuǎn)的方向、轉(zhuǎn)速、負(fù)載、溫度都會(huì)對(duì)電機(jī)性能產(chǎn)生影響。所以在定下來(lái)了超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)之后，控制的方法成為決定其性能的關(guān)聯(lián)，一般有三種控制的方法：

第一種，對(duì)電壓的幅值在范圍允許的情況下進(jìn)行管控。過(guò)低的電壓會(huì)導(dǎo)致壓電元件不產(chǎn)生振動(dòng)，但過(guò)高的電壓又會(huì)讓壓電元件到達(dá)運(yùn)行的極限；第二種，變頻控制。由于與諧振點(diǎn)很近的地方就是電機(jī)的動(dòng)作點(diǎn)，而響應(yīng)迅速又是改變頻率的一大特色，所以要對(duì)力矩和速度進(jìn)行管控就可以通過(guò)改變臨近于諧振點(diǎn)的頻率做到；第三種，管控相位差。要把質(zhì)點(diǎn)在定子表面橢圓形的行駛方向更改，可以通過(guò)調(diào)節(jié)相位差（兩相電壓）來(lái)做到?？墒侨绻俣冗^(guò)低就難以啟動(dòng)，而要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源又頗為復(fù)雜，但改變頻率因?yàn)榫哂锌焖俚奶匦?，又容易通過(guò)很低的速度來(lái)啟動(dòng)，所以對(duì)它的使用要更多。文章將對(duì)驅(qū)動(dòng)控制開(kāi)展更深層次的討論。

3 驅(qū)動(dòng)電源的要求

為了能讓超聲電機(jī)正常運(yùn)行，依照行波型的超聲電機(jī)的工作原理來(lái)說(shuō)，電源的交流電一定要滿足有九十度相位差、相同的頻率、相同的峰峰值、相同的有效值這幾點(diǎn)。作為逆變器的電源，可以把直流電（由外部輸出）逆變成交流電，這兩相的交流電有以下硬性要求：①為了讓變速特性在超聲電機(jī)中得以體現(xiàn)，就要將變頻特性賦予給電源；②為了讓行波振動(dòng)在定子中維持良好的狀態(tài)，九十度的相位差恒定是在時(shí)間上對(duì)兩相交流電的硬性要求，同時(shí)還要保證鑒相和變頻功能一定要在變頻電源中體現(xiàn)出來(lái)；③為了讓驅(qū)動(dòng)頻率維持優(yōu)良狀態(tài)，依靠摩擦工作的驅(qū)動(dòng)電源就要有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)會(huì)受轉(zhuǎn)子和定子的材料與溫度參數(shù)而影響摩擦效果的諧振頻率的機(jī)制；④電源兩相中任意一相的交流電要設(shè)計(jì)成比九十度高或低。

4 用于超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)逆變器半橋逆變器

半橋逆變器在超聲電機(jī)中有著不可替代的重要作用。一般來(lái)說(shuō)，具有控制電路以及驅(qū)動(dòng)電路的正常運(yùn)行的作用。其中，將C1與C2（注：C1與C2的電容必須保持一致）串聯(lián)后，接入支流輸入的兩端。由于電容容量的數(shù)值較大，所以默認(rèn)為逆變器工作時(shí)，電容器兩端的電壓數(shù)值不變，為Vd2。此時(shí)，對(duì)于伏直流母線來(lái)說(shuō)，電容器兩端電壓的連接點(diǎn)O的電位的數(shù)值保持正常。具體的工作流程如下：①輸入電壓被進(jìn)行分壓的工作，其中，分壓由電容相同的C1與C2構(gòu)成。②保證T1的導(dǎo)通，讓電流經(jīng)歷一個(gè)從T1到二極管在到電容器C1的過(guò)程。此時(shí)，C1、C2正常運(yùn)轉(zhuǎn)，一個(gè)放電，一個(gè)充電，構(gòu)成正常的交流正半波；③保證T2的導(dǎo)通。此時(shí)，C1與C2交換作用，C2進(jìn)行放電工作，C1進(jìn)行充電工作，形成正常的交流負(fù)半波。

全橋逆變器。全橋逆變器，也是逆變器的一種，具有容量大、輸出電壓大等優(yōu)點(diǎn)，一般用于大容量場(chǎng)合。與半橋逆變器相比較，在直流輸入電壓相同的條件下，半橋逆變器的最大輸出電壓僅僅是全橋逆變器的一半，換言之，就是在輸出功率相同的條件下，半橋逆變器在輸出電流和開(kāi)關(guān)元件電流方面，是全橋逆變器的2倍。

推挽式逆變器。推挽式逆變器，這是一種在輸出時(shí)需要帶中心抽頭的變壓器。與全橋逆變器相同的是，兩者的輸出波形一樣。其中，推挽式逆變器的優(yōu)點(diǎn)在于：不論在任何時(shí)候，導(dǎo)通路徑上的開(kāi)關(guān)元件都只有一個(gè)。而開(kāi)關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電路公共地的合理設(shè)計(jì)，又簡(jiǎn)化了整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與操作。但是，推挽式逆變器的缺點(diǎn)在于：無(wú)法精確地保證輸出變壓器的支流飽和率。

5 功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)

功率MOSFET為壓控器件，具有柵極驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)機(jī)速度一般在0.1～0.5μs。其主要作用在于：超聲電機(jī)逆變器的開(kāi)關(guān)元件。

柵極驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)。一般情況下，超聲電機(jī)都會(huì)選用柵極驅(qū)動(dòng)電路。而柵極驅(qū)動(dòng)電路又有以下特點(diǎn)：第一，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與操作較為簡(jiǎn)單；第二，節(jié)省驅(qū)動(dòng)電流，由于驅(qū)動(dòng)電路為容性負(fù)載，這也意味著功率MOSFET的柵極輸入端可以替代容性負(fù)載。

常用的柵極驅(qū)動(dòng)電路。常見(jiàn)的柵極驅(qū)動(dòng)電路主要有以下三種：①CMOS器件；②晶體管；③TTL器件等。而功率MOSFET為壓控器件，其柵極驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。當(dāng)電路需要隔離時(shí)，則可采用脈沖變壓器或者光耦作為主要隔離器。除此之外，若將電阻串聯(lián)在電阻中，則也可使并聯(lián)器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間減少，從而降低開(kāi)通或關(guān)斷時(shí)的震蕩。

6 時(shí)鐘頻率與變壓器

一般來(lái)說(shuō)，電源變頻可以改變超聲電機(jī)的變速。這是由于電源中有產(chǎn)生時(shí)鐘頻率的部分，同時(shí)必須保證電機(jī)既可變速又變頻。所以必須將頻率部分設(shè)計(jì)為可變可調(diào)的。通常情況下，常見(jiàn)的可調(diào)多諧壓控振蕩器有：LM555、LM565和NE555。

諧振回路是由MOS場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)功率管、脈沖變壓器耦合以及超聲電機(jī)構(gòu)成的。其中，脈沖變壓在驅(qū)動(dòng)電路中有著不可替代的重要作用。在驅(qū)動(dòng)電路中，變壓器與功率管相連接。這也意味著在保證功率變換器指標(biāo)的同時(shí)，也保證了電路運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性與可靠性。除此之外，又有高頻工作的特點(diǎn)。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)諸如瞬態(tài)飽和和集膚效應(yīng)等進(jìn)行考慮。

7 結(jié)語(yǔ)

在時(shí)代飛速發(fā)展的今天，超聲電機(jī)通用驅(qū)動(dòng)控制器還沒(méi)有進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)與研制。其中，電機(jī)性能的提高也必須與電機(jī)傳動(dòng)機(jī)理的研究、結(jié)構(gòu)、材料、工藝等息息相關(guān)。除此之外，驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)也是影響電機(jī)性能的重要因素之一。綜上所述，為提高電機(jī)麥控制技術(shù)必須從以下方面入手：①驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)約化設(shè)計(jì)，建立專(zhuān)門(mén)的集成電路；②加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電路的通用性與可換性，提高超省電機(jī)的使用率與普及性；③提高驅(qū)動(dòng)電路的智能化，保證其工作效率；④將電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路合為一體，保證超聲電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路的綜合能力；⑤研制并深化控制方法，保證超省電計(jì)的性能最大化。

［1］張鐵民.超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制［J］.現(xiàn)代制造工程，2014，（3）.

［2］梁大志，時(shí)運(yùn)來(lái)，朱華，等.超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)的新進(jìn)展［J］.振動(dòng)測(cè)試與診斷，2013，（6）.

2014年度吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“通用超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的研發(fā)”吉教科合字【2014】第592號(hào)。

郝銘（1969-），男，吉林吉林人，博士，副教授，主要研究方向：超聲電機(jī)本體及驅(qū)動(dòng)控制。