一種超聲波電動機的兩相驅(qū)動電路研究

萬志堅，張俊峰

(1. 深圳職業(yè)技術(shù)學院，深圳 518055;2.哈爾濱工業(yè)大學深圳校區(qū)，深圳 518055)

0 引 言

超聲波電動機驅(qū)動電源是超聲波電動機工作的能量來源，電機所需的電壓頻率在20 kHz以上，電壓幅值一般在100 V以上，是一種高頻高壓的電壓信號，故需要專門設計。電機的驅(qū)動控制電路是超聲波電動機性能的決定性因素之一。超聲波電動機的驅(qū)動控制電路設計不好，將導致電機的工作效率低下，甚至不能正常工作。目前，超聲波電動機用驅(qū)動控制器主要有直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)的驅(qū)動控制器和超聲波電動機典型的驅(qū)動控制電路兩種[1-5]。DDS技術(shù)原理相對較復雜，開發(fā)難度較大，不利于產(chǎn)品化。相比而言，超聲波電動機典型的驅(qū)動控制電路使用較為廣泛，它可以根據(jù)特定的超聲波電動機進行針對性的設計，從而可以做到較緊湊、電壓信號匹配性能好。不同類型的超聲波電動機，其驅(qū)動電路一般有所不同，某些種類的超聲波電動機需要正弦、余弦兩路甚至多路信號來進行驅(qū)動。本文設計了一種體積較緊湊、性能較穩(wěn)定的超聲波電動機驅(qū)動控制器，實現(xiàn)了對面內(nèi)彎縱復合模態(tài)的直線超聲波電動機的驅(qū)動。

1 超聲波電動機驅(qū)動的總體方案

超聲波電動機驅(qū)動電源的總體方案設計如圖1 所示，包括PC上位機、電源電路、主控電路、驅(qū)動電路、超聲波電動機(USM)、光電編碼器等。其中，主控電路由STM32F103芯片和其外圍電路構(gòu)成。驅(qū)動電路依次包括取反升壓電路、開關(guān)管驅(qū)動電路、逆變放大電路、匹配電路4個模塊。

圖1 超聲波電動機驅(qū)動總體方案設計

在上述方案中，首先在上位機中通過軟件按照要求設置好信號的相關(guān)參數(shù)，諸如信號的頻率和相位、占空比等；隨后主控芯片根據(jù)這些參數(shù)設置輸出后續(xù)所需的兩路PWM波，再通過電路完成直流到交流的逆變、電壓信號的升壓、電路與超聲波電動機的匹配等環(huán)節(jié)，輸出兩路高頻高壓電壓信號(正弦、余弦信號)，以實現(xiàn)對超聲波電動機的驅(qū)動。本文根據(jù)所設計的面內(nèi)彎縱復合模態(tài)直線超聲波電動機的驅(qū)動及實驗要求，驅(qū)動信號的頻率調(diào)節(jié)范圍為20～50 kHz，電壓幅值調(diào)節(jié)范圍為100～300 V，兩相電壓信號相位可靈活調(diào)節(jié)。

電機在工作過程中，光電編碼器可以采集到位置和速度信息，并反饋給主控制芯片，隨后可通過控制程序進行電機的位置和速度調(diào)節(jié)。上位機通過串口與主控芯片相連，其功能主要包括PWM波參數(shù)設定、電機運動狀態(tài)信息采集、電機運動的正反控制等。

2 電源電路設計

超聲波電動機驅(qū)動的電源電路設計框圖如圖2所示。電源電路分兩路輸出：一路的輸出電壓為12V，提供給主控電路；另一路的輸出電壓在1.25～22 V之間，并且是可調(diào)的，以滿足逆變電路的需要。

圖2 電源電路設計框圖

首先，通過一個小型變壓器將220 V市電轉(zhuǎn)變?yōu)?4 V直流電，并分為兩個支路輸出。其中一個支路利用LM7812把24 V輸入轉(zhuǎn)換為+12 V輸出(供給主控電路)；同時，利用LM7805將+12 V電壓轉(zhuǎn)換為+5 V輸出電壓，給電源電路中的STC12C5A60S芯片供電。在另一支路中，利用可調(diào)輸出穩(wěn)壓芯片LM317將+24 V直流電轉(zhuǎn)換為+1.25 V至+22 V電壓信號；同時，采用STC12C5A60S芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣來進行電壓信號的測定；利用雙電壓比較器LM393實現(xiàn)電路的過流檢測，同時結(jié)合繼電器的使用，對電路進行過流保護。電源電路圖如圖3所示。

圖3 電源電路圖

3 主控電路設計

主控芯片STM32及輔助電路如圖4所示，包括核心處理芯片STM32F103、主控電源子模塊、通信子模塊、程序下載子模塊等。主控電路是驅(qū)動電路的關(guān)鍵部分，它負責生成PWM波，并與上位機進行通信。另外，主控電路還有電機動子的速度測試、位置控制等功能。

圖4 主控芯片STM32及輔助電路

(1)主控電路電源子模塊：這里的電源子模塊是主控電路的動力來源，為滿足主控電路中不同元器件的供電需要，需要分別提供3.3 V，5 V，12 V等三種供電電壓。主控芯片的供電電壓為3.3 V直流，此處依次采用了7805芯片和LM1117芯片進行電壓轉(zhuǎn)換：先將12 V直流電壓(主電源電路提供)轉(zhuǎn)換成5 V直流電壓，再將5 V直流電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V直流電壓。同時，預留的5 V直流電輸出是后續(xù)驅(qū)動電路所需要的。電路圖如圖5所示。

圖5 主控電路的電源子模塊

(2)程序下載子模塊：程序下載模塊是為了后續(xù)功能拓展研究的需要，可以根據(jù)功能拓展的需要編寫程序并下載到芯片STM32中。如圖6所示，此模塊使用了JTAG接口。因為主控芯片STM32上的JTAG、SWD為共同使用的接口，所以可以在JTAG接口上通過SWD模式進行程序下載等操作。

圖6 程序下載模塊電路圖

(3)通信模塊：通信模塊采用了RS-485接口技術(shù)實現(xiàn)主控芯片與上位機之間的通信。RS-485需要進行電平轉(zhuǎn)換才能與主控芯片進行相連。這里使用了MAX485來轉(zhuǎn)換電平，它采用5 V直流電壓供電、半雙工通信模式、傳輸速率最高為2.5 Mbit/s。電路如圖7所示。

圖7 通信模塊電路圖

(4)光耦隔離電路：為了超聲波電動機控制的需要，在電機工作過程中，光電編碼器、限位開關(guān)等器件需要發(fā)送脈沖信號給主控芯片STM32。光耦隔離電路設計在脈沖器件與主控芯片之間，電路如圖8所示，它可以減少干擾和進行信號整形。光耦由發(fā)光二極管與光敏元件組成，它是光耦隔離電路的關(guān)鍵元件，這里采用了PC817光耦元件。

圖8 光耦隔離模塊電路圖

4 驅(qū)動電路設計

4.1 取反升壓電路設計

驅(qū)動電路有兩支并列的支路，驅(qū)動電路中每一支逆變電路都需要兩路PWM波驅(qū)動，并且兩路PWM波需為互補波；另外，主控芯片輸出的PWM波的電壓為3.3 V，而逆變電路開關(guān)管的驅(qū)動電壓為5 V。所以本電路采用了主控芯片STM32和51芯片( STC12C5201AD)相結(jié)合的方式實現(xiàn)了取反升壓。在驅(qū)動電路工作時，主控芯片STM32發(fā)出兩路可調(diào)制的PWM波(3.3 V)，對于每一路PWM波，利用51芯片的外部中斷將每一路PWM波轉(zhuǎn)化為互補的兩路PWM波，同時輸出5 V高電平，連接開關(guān)管驅(qū)動電路。取反升壓電路圖如圖9所示。

圖9 取反升壓電路圖

4.2 逆變電路設計

所述的超聲波電動機驅(qū)動需要高頻高壓的正弦、余弦信號，所以需要利用逆變電路將低壓直流電(由主控電源子模塊提供)逆變成高壓交流電。這里采用了全橋式逆變電路。如圖10所示，逆變放大電路主要由4個開關(guān)管和1個變壓器組成。在互補的兩路PWM波信號的作用下，開關(guān)管1、3與2、4輪流導通，實現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換，然后再利用變壓器進行升壓，得到后續(xù)所需的高頻率、高幅值的方波電壓。

圖10 逆變電路圖

上述電路工作時，開關(guān)管在高頻情況下快速通斷。為了避免開關(guān)管快速通斷而損壞，這里設計了開關(guān)管的驅(qū)動電路，如圖11所示。本文采用IR2184S芯片作為開關(guān)管驅(qū)動電路的核心器件。由于開關(guān)管驅(qū)動電路能在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生大電流，使得柵極和源極之間在極短的時間內(nèi)達到所要求的電壓，從而消除電壓信號在由低電平變?yōu)楦唠娖綍r的高頻率振蕩。同時，開關(guān)管驅(qū)動電路還需要保障電壓的穩(wěn)定性。有、無驅(qū)動電路的開關(guān)管輸出信號如圖12所示，圖12(a)為無驅(qū)動電路時的輸出信號，圖12(b)為有驅(qū)動電路時的輸出信號?？梢悦黠@看出，有驅(qū)動電路的輸出信號改善了上升沿的高頻振蕩。

圖11 開關(guān)管驅(qū)動電路圖

(a) 無驅(qū)動電路

(b) 有驅(qū)動電路

4.3 高頻脈沖變壓器的設計

4.3.1 變壓器設計

上述逆變電路獲得了電壓為15 V的高頻方波，由于超聲波電動機的驅(qū)動電壓幅值通常在100 V以上，因此需要對信號進行放大。為此，本文采用AP法設計了一個小功率的高頻脈沖變壓器，由于篇幅所限，在此不再詳述。變壓器的參數(shù)設定如表1所示，變壓器設計結(jié)果如表2所示。需要說明是，由于逆變電路開關(guān)管的交替導通，變壓器輸出電壓值為400 V/2=200 V。

表1 變壓器性能參數(shù)

表2 變壓器設計參數(shù)

4.3.2 吸收電路

根據(jù)上述設計制作的變壓器，可能會因為變壓器的繞組問題而出現(xiàn)漏感。在這種情況下，變壓器工作時，在開關(guān)管通、斷的瞬間將出現(xiàn)電壓尖峰。電壓尖峰會導致MOSFET管發(fā)熱甚至燒壞。為了解決這個問題，在變壓器輸入側(cè)和輸出側(cè)各連接一個電容元件，這樣可以有效地吸收電壓尖峰，形成尖峰電壓的吸收電路。

圖13為輸出信號對比。圖13(a)為無吸收電路的輸出信號，圖13(b)為有吸收電路的輸出信號。很明顯，吸收電路消除了電壓尖峰。

(a) 無吸收電路

(b) 有吸收電路

4.4 匹配電路

超聲波電動機的典型驅(qū)動電路中一般都會設計匹配電路[6]。原因包括兩個方面：一方面，超聲波電動機的定子是電容性的，會有無功耗損率，為了降低無功耗損率，在驅(qū)動電路中就需要設計匹配電路，進行阻抗匹配；另一方面，由于逆變電路采用開關(guān)管技術(shù)，信號中會有比較多的高頻率雜波。由于超聲波電動機是依靠定子的特定振動模態(tài)工作的，而高頻雜波有可能會激發(fā)出定子的無關(guān)模態(tài)，從而使超聲波電動機的性能下降，甚至不能工作。阻抗匹配則可以有效地過濾掉高頻率的雜波，從而保證超聲波電動機所需的特定頻率信號。這里選用了串聯(lián)電感實現(xiàn)超聲波電動機阻抗匹配[7-9]。

圖14 超聲波電動機定子的等效電學模型

圖14為超聲波電動機定子的等效電學模型[6-7]。其中，Lm為電機等效電感；Rm為電機等效電阻；Cm為電機等效電容，Cd為電路中的夾持電容。假定電機在理想諧振狀態(tài)下工作，此時，ωmLm=1/(ωmCm)，電機等效電路中RCL串聯(lián)支路僅存在電阻R。在串聯(lián)匹配電路中，設串聯(lián)電感為L，則系統(tǒng)的阻抗：

(1)

為了使系統(tǒng)阻抗Z呈現(xiàn)純阻抗,有：

(2)

串聯(lián)電感L：

(3)

其中一個支路的串聯(lián)電感匹配電路如圖15所示，其中虛線框內(nèi)為超聲波電動機的等效電路，在實際中，可以根據(jù)計算結(jié)果選取適當?shù)碾姼兄担垣@得所需的信號波形。

圖15 支路串聯(lián)電感匹配電路

5 實驗平臺搭建

5.1 超聲波電動機實驗平臺組成

如圖16所示，實驗平臺包括PC機、電源模塊、驅(qū)動模塊、超聲波電動機樣機、示波器、壓力傳感器等組成。其中，超聲波電動機樣機為面內(nèi)彎縱復合模態(tài)的直線超聲微電機。

圖16 超聲波電動機實驗平臺

根據(jù)前述超聲波電動機驅(qū)動電路原理，制作的電路板如圖17和圖18所示。圖17的電源電路板為整個驅(qū)動控制系統(tǒng)提供電力。圖18為超聲波電動機驅(qū)動控制電路板，它集成了主控電路、取反升壓電路、開關(guān)管電路、逆變升壓電路、匹配電路等模塊，產(chǎn)生電機所需要的高頻高壓的正弦、余弦兩相驅(qū)動信號，驅(qū)動超聲波電動機運行。

圖17 電源電路板

圖18 超聲波電動機驅(qū)動控制電路板

5.2 驅(qū)動信號調(diào)試

根據(jù)實驗所用的超聲波電動機電壓信號要求，驅(qū)動電壓頻率約為38.43 kHz，電壓幅值需為100 V至200 V可調(diào)，電壓信號的相位可調(diào)。圖19為主控芯片STM32輸出的兩路PWM信號，頻率為38.43 kHz，相位差為90°，電壓為3.3 V。圖20為逆變電路輸出的A相、B相兩路信號，電壓幅值12 V，相位差為90°，其他參數(shù)同前。圖21為驅(qū)動電路的最終輸出的正弦、余弦信號，電壓幅值為200 V，其他參數(shù)同前。經(jīng)過調(diào)試，所設計的超聲波電動機驅(qū)動的各模塊運行正常，整個驅(qū)動系統(tǒng)運行穩(wěn)定，輸出信號波形好，雜波少，完全滿足了面內(nèi)彎縱復合模態(tài)直線超聲波電動機的工作要求，電機工作正常。

圖19 主控芯片STM32輸出PWM波

(a) A相信號

(b) B相信號

圖21 驅(qū)動電路的最終輸出信號

6 結(jié) 語

超聲波電動機驅(qū)動所需的信號頻率較高(超聲波頻率)，電壓也較高，一般要求峰峰值在100 V以上。為了超聲波電動機的正常工作，需要設計超聲波電動機專用的驅(qū)動電路。電路設計如下：

(1) 需要設計電源電路，將220 V市電通過變壓等過程得到24 V直流電，然后再次變壓，并分成兩路電壓輸出，分別為主控電路和逆變電路供電。

(2) 在主控電路中，STM32芯片產(chǎn)生兩路PWM波提供給取反升壓電路。利用51芯片的外部中斷將每一路PWM波轉(zhuǎn)化為互補的兩路PWM波。

(3)在互補的兩路PWM波信號的作用下，利用4個開關(guān)管兩兩輪流導通，實現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換，然后再利用變壓器進行升壓，得到后續(xù)所需的高頻率、高幅值的方波電壓。

(4)結(jié)合超聲波電動機的負載特性，通過匹配電路，實現(xiàn)了面內(nèi)彎縱復合模態(tài)的直線超聲微電機的正弦、余弦兩相驅(qū)動。

該驅(qū)動電路也可用于其他需要兩相驅(qū)動的超聲波電動機。為了后續(xù)的超聲波電動機控制系統(tǒng)的研究，在主控電路中還設計了程序下載模塊、通信模塊、光耦隔離電路等。