一種超聲波電動機的兩相驅動電路研究

萬志堅，張俊峰

(1. 深圳職業技術學院，深圳 518055;2.哈爾濱工業大學深圳校區，深圳 518055)

0 引 言

超聲波電動機驅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，超聲波電動機用驅動控制器主要有直接數字式頻率合成器(DDS)的驅動控制器和超聲波電動機典型的驅動控制電路兩種[1-5]。DDS技術原理相對較復雜，開發難度較大，不利于產品化。相比而言，超聲波電動機典型的驅動控制電路使用較為廣泛，它可以根據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動。本文設計了一種體積較緊湊、性能較穩定的超聲波電動機驅動控制器，實現了對面內彎縱復合模態的直線超聲波電動機的驅動。

1 超聲波電動機驅動的總體方案

超聲波電動機驅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成。驅動電路依次包括取反升壓電路、開關管驅動電路、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參數，諸如信號的頻率和相位、占空比等；隨后主控芯片根據這些參數設置輸出后續所需的兩路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節，輸出兩路高頻高壓電壓信號(正弦、余弦信號)，以實現對超聲波電動機的驅動。本文根據所設計的面內彎縱復合模態直線超聲波電動機的驅動及實驗要求，驅動信號的頻率調節范圍為20～50 kHz，電壓幅值調節范圍為100～300 V，兩相電壓信號相位可靈活調節。

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節。上位機通過串口與主控芯片相連，其功能主要包括PWM波參數設定、電機運動狀態信息采集、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市電轉變為24 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輸入轉換為+12 V輸出(供給主控電路)；同時，利用LM7805將+12 V電壓轉換為+5 V輸出電壓，給電源電路中的STC12C5A60S芯片供電。在另一支路中，利用可調輸出穩壓芯片LM317將+24 V直流電轉換為+1.25 V至+22 V電壓信號；同時，采用STC12C5A60S芯片的模數轉換的采樣來進行電壓信號的測定；利用雙電壓比較器LM393實現電路的過流檢測，同時結合繼電器的使用，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。主控電路是驅動電路的關鍵部分，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芯片進行電壓轉換：先將12 V直流電壓(主電源電路提供)轉換成5 V直流電壓，再將5 V直流電壓轉換成3.3 V直流電壓。同時，預留的5 V直流電輸出是后續驅動電路所需要的。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功能拓展研究的需要，可以根據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接口技術實現主控芯片與上位機之間的通信。RS-485需要進行電平轉換才能與主控芯片進行相連。這里使用了MAX485來轉換電平，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、限位開關等器件需要發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。光耦由發光二極管與光敏元件組成，它是光耦隔離電路的關鍵元件，這里采用了PC817光耦元件。

圖8 光耦隔離模塊電路圖

4 驅動電路設計

4.1 取反升壓電路設計

驅動電路有兩支并列的支路，驅動電路中每一支逆變電路都需要兩路PWM波驅動，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，而逆變電路開關管的驅動電壓為5 V。所以本電路采用了主控芯片STM32和51芯片( STC12C5201AD)相結合的方式實現了取反升壓。在驅動電路工作時，主控芯片STM32發出兩路可調制的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波轉化為互補的兩路PWM波，同時輸出5 V高電平，連接開關管驅動電路。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，開關管1、3與2、4輪流導通，實現直流到交流的轉換，然后再利用變壓器進行升壓，得到后續所需的高頻率、高幅值的方波電壓。

圖10 逆變電路圖

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

圖11 開關管驅動電路圖

(a) 無驅動電路

(b) 有驅動電路

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。變壓器的參數設定如表1所示，變壓器設計結果如表2所示。需要說明是，由于逆變電路開關管的交替導通，變壓器輸出電壓值為400 V/2=200 V。

表1 變壓器性能參數

表2 變壓器設計參數

4.3.2 吸收電路

根據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漏感。在這種情況下，變壓器工作時，在開關管通、斷的瞬間將出現電壓尖峰。電壓尖峰會導致MOSFET管發熱甚至燒壞。為了解決這個問題，在變壓器輸入側和輸出側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管技術，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工作的，而高頻雜波有可能會激發出定子的無關模態，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。這里選用了串聯電感實現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下工作，此時，ωmLm=1/(ωmCm)，電機等效電路中RCL串聯支路僅存在電阻R。在串聯匹配電路中，設串聯電感為L，則系統的阻抗：

(1)

為了使系統阻抗Z呈現純阻抗,有：

(2)

串聯電感L：

(3)

其中一個支路的串聯電感匹配電路如圖15所示，其中虛線框內為超聲波電動機的等效電路，在實際中，可以根據計算結果選取適當的電感值，以獲得所需的信號波形。

圖15 支路串聯電感匹配電路

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彎縱復合模態的直線超聲微電機。

圖16 超聲波電動機實驗平臺

根據前述超聲波電動機驅動電路原理，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動控制系統提供電力。圖18為超聲波電動機驅動控制電路板，它集成了主控電路、取反升壓電路、開關管電路、逆變升壓電路、匹配電路等模塊，產生電機所需要的高頻高壓的正弦、余弦兩相驅動信號，驅動超聲波電動機運行。

圖17 電源電路板

圖18 超聲波電動機驅動控制電路板

5.2 驅動信號調試

根據實驗所用的超聲波電動機電壓信號要求，驅動電壓頻率約為38.43 kHz，電壓幅值需為100 V至200 V可調，電壓信號的相位可調。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°，其他參數同前。圖21為驅動電路的最終輸出的正弦、余弦信號，電壓幅值為200 V，其他參數同前。經過調試，所設計的超聲波電動機驅動的各模塊運行正常，整個驅動系統運行穩定，輸出信號波形好，雜波少，完全滿足了面內彎縱復合模態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 驅動電路的最終輸出信號

6 結 語

超聲波電動機驅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個開關管兩兩輪流導通，實現直流到交流的轉換，然后再利用變壓器進行升壓，得到后續所需的高頻率、高幅值的方波電壓。

(4)結合超聲波電動機的負載特性，通過匹配電路，實現了面內彎縱復合模態的直線超聲微電機的正弦、余弦兩相驅動。

該驅動電路也可用于其他需要兩相驅動的超聲波電動機。為了后續的超聲波電動機控制系統的研究，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。