一種新型超聲電機的驅(qū)動電源設(shè)計

牛德森++李有光

摘 要：超聲波電機需要工作在超聲頻域內(nèi)，根據(jù)各種電機的不同結(jié)構(gòu)型式，其驅(qū)動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)動電壓，并且這兩相電壓具有一定的相位差，超聲電機對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的特點及對驅(qū)動電源的要求，介紹了移相控制芯片UCC3895及移相控制策略的基本原理。最后通過實驗對驅(qū)動效果進行了檢驗，得出了電機相位差與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。

關(guān)鍵詞：行波超聲電機 移相控制 UCC3895 設(shè)計

中圖分類號：TM356 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0001-02

超聲波電機（簡稱USM）是一種新型電機，它不同于傳統(tǒng)電機。由于壓電材料具有逆壓電的效應(yīng)，超聲電機應(yīng)用這一原理將高頻信號加到其內(nèi)部定子上，從而使定子表面的質(zhì)點產(chǎn)生有規(guī)律的橢圓軌跡運動，由定子和轉(zhuǎn)子的摩擦作用帶動電機旋轉(zhuǎn)。超聲波電機需要工作在超聲頻域內(nèi)，根據(jù)各種電機的不同結(jié)構(gòu)型式，其驅(qū)動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)動電壓，并且這兩相電壓具有一定的相位差，超聲電機對電壓幅值有很高的要求，必須在幾百伏甚至上千伏。這種新型電機具有一系列傳統(tǒng)電機不可比擬的優(yōu)勢，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行斷電自鎖等，因此近年來，超聲電機已經(jīng)在微型機機器人、航天精密儀器、家用電器控制系統(tǒng)、航空航天用特種電機等方面有了廣泛的應(yīng)用[1]。目前對超聲波電機的控制量主要有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 行波超聲電機的工作原理

通過信號發(fā)生電路產(chǎn)生在時間和空間分別相差1/4周期的2列相同頻率、相等電壓幅值的駐波信號，在超聲電機的定子上合成相同頻率、具有一定相位差的一列行波，從而可以帶動電機運轉(zhuǎn)。通過對2列正弦電壓波的電壓幅值進行精確控制，達到了對超聲電機轉(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)。信號發(fā)生電路產(chǎn)生2路相同頻率、相位差為的信號，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，用以對驅(qū)動芯片IR2110進行驅(qū)動，得以驅(qū)動主回路。同時驅(qū)動電路的設(shè)計還需進行匹配電感的工作，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，將其分別加載到超聲電機的定子上，使得電機開始工作[2]。

由于超聲電機壓電材料負載表現(xiàn)為容性，區(qū)別于傳統(tǒng)電機的感性或阻性特點，因此在驅(qū)動電源和電機之間必須加上匹配電路，用以改善驅(qū)動電壓波形、減小電路中的高頻諧波分量，同時可以提高驅(qū)動電路的效率，且能實現(xiàn)能量的較高轉(zhuǎn)換，使超聲電機具有足夠的功率，避免激發(fā)出超聲電機定子的非工作模態(tài)。所以該文采用移相控制技術(shù)對電機的電壓幅值進行精確控制，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

全橋逆變原理如圖1所示，移相控制的原理是：橋臂和輪流導通，各導通180°電角，橋臂和同理各導通180°電角。但和不是同時導通。比先導通一個角（移相角）。因為和分別先于和導通，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/軟關(guān)斷時間可以調(diào)整，它可以從0%到 100%實現(xiàn)輸出信號的相移控制，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UCC3895芯片主要做以下幾方面的設(shè)計。

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

（2）信號產(chǎn)生電路。邏輯信號產(chǎn)生電路是UCC3895的核心組成部分。UCC3895內(nèi)部的D觸發(fā)器對外部輸入信號進行二分頻，會產(chǎn)生2個相位差為180°互補的方波信號，兩信號分別從OUTA和OUTB輸出，芯片內(nèi)部需要為這2個芯片同時設(shè)置死區(qū)時間。UCC3895芯片里的PWM方波比較器，比較所產(chǎn)生的波信號與誤差放大器，最終輸出一個方波信號。同時由芯片內(nèi)部邏輯電路產(chǎn)生的2個相位差為180°互補的方波信號，分別從OUTC和OUTD輸出，同理為其設(shè)置死區(qū)時間。此時OUTC以一個移相角先于OUTA導通，而OUTD同理也先于OUTB導通[5]。

（3）保護電路。輸入腳12是UCC3895內(nèi)部電流比較器的反相輸入端。當檢測到電路出現(xiàn)過流時，該芯片可以鎖定輸出信號，芯片進入軟啟動得以實現(xiàn)電路保護。

（4）死區(qū)時間。為防止同一橋臂的2個開關(guān)管同時導通，設(shè)置了死區(qū)時間：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開關(guān)管死區(qū)時間，

（1）

式中，為9腳DLAYAB與信號地之間所接電阻。

（5）工作頻率。震蕩周期可由式（2）得到，

（2）

4 測試結(jié)果

該文以課題組自制的行波型超聲電機為對象，通過所設(shè)計的驅(qū)動控制電路，對電機進行轉(zhuǎn)速與相位差關(guān)系的實驗，測得諧振頻率為37.68 kHz，得到實驗結(jié)果如圖2所示（Φ=0附近有死區(qū)）。

5 結(jié)論

由于超聲電機具有極強的非線性，當利用頻率對其控制時，轉(zhuǎn)速跳動范圍大，電機不能平滑的過渡。該文通過實驗，驗證了兩相電壓的相位差大小與定子表面質(zhì)點軌跡運動速度有著近似成正比的關(guān)系，因此通過對相位差大小的控制便可以實現(xiàn)控制電機轉(zhuǎn)速的目的，同時也可以控制輸出電壓。

參考文獻

[1] 周斌.超聲電機的驅(qū)動技術(shù)及其實驗平臺的研究[D].南京航空航天大學，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.超聲波馬達與應(yīng)用[M].楊志剛，鄭學倫，譯.上海：上海科學技術(shù)出版社，1997.

[4] 賀寶財，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)學會電力電子學會第十屆學術(shù)年會論文集.西安：中國電工技術(shù)學會電力電子學會，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驅(qū)動電源設(shè)計[J].機械與電子，2007（10）：18-20.endprint