超聲電機驅動的控制系統探討

郝銘

（吉林電子信息職業技術學院，吉林 吉林 132021）

超聲電機驅動的控制系統探討

郝銘

（吉林電子信息職業技術學院，吉林 吉林 132021）

TRUM-60行波型超聲電機是文章的討論對象，為了更好地利用和挖掘出有關于伺服作動的優秀性能，以電氣在驅動控制器的特性為起點，更加深入的研究了超聲電機的控制與驅動技術。在這些方面的控制算法和驅動以及策略研究獲得了一些收獲：雙PWM的功率所驅動的拓撲結構、迅速來回的動態性能、直線納米級和旋轉角秒級在開環情況下的分辨率、重復加點啟動超聲電機。

超聲波；電機驅動；控制系統

1 超聲電機驅動及控制電路的工作原理

通過超聲電機在工作時的原理就能知道，多數的超聲電機在工作的時候要依靠驅動給電路供應0.1～10W的功率、100～350V的輸出信號峰、頻率為20kHz～100kHz、90°的相位差（或可調）、相同的兩路頻率的交變信號。再有，因為機械共振令系統產生的頻率能夠決定超聲電機在工作時最優秀的頻率，而振動系統的主要部分是壓電元件，它會隨著外面環境（例如預壓力、溫度等）的改變而改變其自身的共振頻率，所以要保障電機能夠平穩運行，就要實時監測系統共振頻率的改變動向，這樣一個優秀的控制和驅動電路才能在超聲電動機上體現出來。

2 超聲電機驅動控制原理

與古老的電磁電機的工作原理不同的是，超聲電機是通過摩擦來啟動的，所以因為以下四點而不容易為集中質量建模：第一，滑動率在轉子和定子面前是個未知數；第二，溫度會對諧振頻率產生影響而令其改變；第三，它的動力學現象除了雜亂還具有非線性特征；第四，工作時轉子的壓力、定子和電壓、旋轉的方向、轉速、負載、溫度都會對電機性能產生影響。所以在定下來了超聲電機的結構之后，控制的方法成為決定其性能的關聯，一般有三種控制的方法：

第一種，對電壓的幅值在范圍允許的情況下進行管控。過低的電壓會導致壓電元件不產生振動，但過高的電壓又會讓壓電元件到達運行的極限；第二種，變頻控制。由于與諧振點很近的地方就是電機的動作點，而響應迅速又是改變頻率的一大特色，所以要對力矩和速度進行管控就可以通過改變臨近于諧振點的頻率做到；第三種，管控相位差。要把質點在定子表面橢圓形的行駛方向更改，可以通過調節相位差（兩相電壓）來做到。可是如果速度過低就難以啟動，而要設計驅動電源又頗為復雜，但改變頻率因為具有快速的特性，又容易通過很低的速度來啟動，所以對它的使用要更多。文章將對驅動控制開展更深層次的討論。

3 驅動電源的要求

為了能讓超聲電機正常運行，依照行波型的超聲電機的工作原理來說，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。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中得以體現，就要將變頻特性賦予給電源；②為了讓行波振動在定子中維持良好的狀態，九十度的相位差恒定是在時間上對兩相交流電的硬性要求，同時還要保證鑒相和變頻功能一定要在變頻電源中體現出來；③為了讓驅動頻率維持優良狀態，依靠摩擦工作的驅動電源就要有實時監測會受轉子和定子的材料與溫度參數而影響摩擦效果的諧振頻率的機制；④電源兩相中任意一相的交流電要設計成比九十度高或低。

4 用于超聲電機驅動的開關逆變器半橋逆變器

半橋逆變器在超聲電機中有著不可替代的重要作用。一般來說，具有控制電路以及驅動電路的正常運行的作用。其中，將C1與C2（注：C1與C2的電容必須保持一致）串聯后，接入支流輸入的兩端。由于電容容量的數值較大，所以默認為逆變器工作時，電容器兩端的電壓數值不變，為Vd2。此時，對于伏直流母線來說，電容器兩端電壓的連接點O的電位的數值保持正常。具體的工作流程如下：①輸入電壓被進行分壓的工作，其中，分壓由電容相同的C1與C2構成。②保證T1的導通，讓電流經歷一個從T1到二極管在到電容器C1的過程。此時，C1、C2正常運轉，一個放電，一個充電，構成正常的交流正半波；③保證T2的導通。此時，C1與C2交換作用，C2進行放電工作，C1進行充電工作，形成正常的交流負半波。

全橋逆變器。全橋逆變器，也是逆變器的一種，具有容量大、輸出電壓大等優點，一般用于大容量場合。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關元件電流方面，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，推挽式逆變器的優點在于：不論在任何時候，導通路徑上的開關元件都只有一個。而開關元件的驅動電路公共地的合理設計，又簡化了整個驅動電路的設計與操作。但是，推挽式逆變器的缺點在于：無法精確地保證輸出變壓器的支流飽和率。

5 功率MOSFET的驅動

功率MOSFET為壓控器件，具有柵極驅動簡單的優點，開機速度一般在0.1～0.5μs。其主要作用在于：超聲電機逆變器的開關元件。

柵極驅動電路的特點。一般情況下，超聲電機都會選用柵極驅動電路。而柵極驅動電路又有以下特點：第一，驅動電路的設計與操作較為簡單；第二，節省驅動電流，由于驅動電路為容性負載，這也意味著功率MOSFET的柵極輸入端可以替代容性負載。

常用的柵極驅動電路。常見的柵極驅動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，其柵極驅動的設計相對簡單。當電路需要隔離時，則可采用脈沖變壓器或者光耦作為主要隔離器。除此之外，若將電阻串聯在電阻中，則也可使并聯器件的開關時間減少，從而降低開通或關斷時的震蕩。

6 時鐘頻率與變壓器

一般來說，電源變頻可以改變超聲電機的變速。這是由于電源中有產生時鐘頻率的部分，同時必須保證電機既可變速又變頻。所以必須將頻率部分設計為可變可調的。通常情況下，常見的可調多諧壓控振蕩器有：LM555、LM565和NE555。

諧振回路是由MOS場效應開關功率管、脈沖變壓器耦合以及超聲電機構成的。其中，脈沖變壓在驅動電路中有著不可替代的重要作用。在驅動電路中，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的同時，也保證了電路運轉的安全性與可靠性。除此之外，又有高頻工作的特點。所以，在設計時，必須對諸如瞬態飽和和集膚效應等進行考慮。

7 結語

在時代飛速發展的今天，超聲電機通用驅動控制器還沒有進行大規模的生產與研制。其中，電機性能的提高也必須與電機傳動機理的研究、結構、材料、工藝等息息相關。除此之外，驅動控制技術也是影響電機性能的重要因素之一。綜上所述，為提高電機麥控制技術必須從以下方面入手：①驅動電路簡約化設計，建立專門的集成電路；②加強驅動電路的通用性與可換性，提高超省電機的使用率與普及性；③提高驅動電路的智能化，保證其工作效率；④將電機與驅動電路合為一體，保證超聲電機以及驅動電路的綜合能力；⑤研制并深化控制方法，保證超省電計的性能最大化。

［1］張鐵民.超聲電機的驅動控制［J］.現代制造工程，2014，（3）.

［2］梁大志，時運來，朱華，等.超聲電機驅動及控制技術的新進展［J］.振動測試與診斷，2013，（6）.

2014年度吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目“通用超聲電機驅動控制器的研發”吉教科合字【2014】第592號。

郝銘（1969-），男，吉林吉林人，博士，副教授，主要研究方向：超聲電機本體及驅動控制。