基于三電平的超聲波電機驅動電路調速性能研究

傅 平,孔 晨,蔡康偉

(1.閩江學院 物理學與電子信息工程學院,福州 350121;2.閩江學院 福建省教育廳先進運動控制重點實驗室,福州 350121; 3.溫州大學 電氣與電子工程學院,溫州 325000)

0 引 言

超聲波電機[1-3]是利用壓電材料具有的逆壓電效應,并利用諧振將電能轉變成機械振動能,再通過摩擦轉變成旋轉或其它方式運動的驅動裝置。與傳統的電磁型電機相比,超聲波電機具有結構簡單、質量輕、低速大力矩、響應速度快、控制精度高等優點。

對于超聲波電機,常用的驅動電路拓撲結構有全橋式、半橋式、推挽式和三相橋式[4-11]。不同拓撲結構下的電路和對應的PWM 開關邏輯方法相結合,對超聲波電機進行調頻、調幅及調相,進一步實現電機的轉速與位置控制。全橋驅動所需的開關器件較多,成本較高,不利于驅動器的小型化。半橋驅動電路的優點是簡單、成本低等,缺點是輸出功率較小、效率相對低、控制精度不如全橋驅動電路。推挽式驅動電路具有結構簡單、驅動能力強、工作可靠、適用范圍廣等特點,廣泛應用于電機控制、功率放大等領域。超聲波電機驅動電路中的推挽式變換器的工作過程較為復雜。

現有的驅動電路大部分采用二電平結構[4-7],電路結構簡單。文獻[8-10]采用三電平拓撲結構對超聲波電機進行驅動,與傳統的二電平電路相比,三電平電路具有更低的電壓失真、更高的效率和更低的EMI噪聲等優點。三電平電路的輸出電壓幅度高于半橋電路,而其電路的復雜性較低[10],降低了損耗,節約了成本,同時該電路又兼顧了全橋和半橋電路的優勢。文獻[8-10]采用FPGA芯片產生三電平驅動信號,需要按照驅動時序對FPGA芯片進行編程,調速時需要占用大量FPGA芯片資源,使得系統測試和驗證變得比較復雜。我們使用半實物仿真平臺[11]對超聲波電機的性能進行測試,相比FPGA芯片,此平臺使用圖形化編程,可大幅降低測控系統編程的復雜度,給測控系統調試帶來了方便。此外,基于三電平和半實物仿真平臺的超聲波電機機械特性測試系統目前尚無相關文獻報道。

本文提出使用基于三電平的超聲波電機驅動電路,分析基于三電平驅動電路的超聲波電機調壓、調頻和調相方法,并使用此電路和半實物仿真平臺對電機進行調壓、調頻和調相,得到基于三電平驅動電路的超聲波電機機械特性。本文首先,介紹基于三電平的超聲波電機驅動電路,然后,給出基于三電平驅動電路的調壓、調頻和調相控制方法,最后,根據基于三電平驅動電路的調壓、調頻和調相方法得到相關的實驗結果,并驗證基于三電平驅動電路的有效性。

1 基于三電平的超聲波電機驅動電路

三電平超聲波電機驅動電路的核心是三相橋逆變電路,此電路由6個開關管組成,如圖1所示。通過合理配置6個開關管的導通時序,就可以得到兩相三電平電壓。本文采用此電路對超聲波電機進行驅動。

圖1 三相橋電路圖

對于圖1的三相橋逆變電路,以U相輸出為例,根據開關管S1和S2的開關時序,當開關管S1導通時,輸出相電壓UUN為U/2,當開關管S2導通時,輸出相電壓UUN為-U/2,因此三相橋逆變電路相電壓輸出波形是幅值為U/2的矩形波。

三相橋電路V相作為超聲波電機A相和B相的公共端,超聲波電機A相與三相橋電路的U、V相連接,B相與三相橋電路的W、V相連接,如圖2所示,此電路為本文首次提出。S1～S4為超聲波電機A相驅動對應的4個開關管,S3～S6為超聲波電機B相驅動對應的4個開關管。各開關管的開關邏輯與兩相輸出電壓間的關系如圖3所示,其中α為開關管的導通角,U1為UWV對應的基波。

圖2 基于三電平的超聲波電機驅動電路

圖3 三電平驅動信號波形

對于圖3,輸出電壓有效值U有效:

(1)

其基波幅值U1:

(2)

在不同導通角下,三相橋電路的電壓輸出波形也不同。當導通角α<90°時,三相電路輸出電壓有3個電平的輸出狀態,幅值為UD/2,如圖3所示;當導通角α=90°時,此時三相電路輸出電壓有2個電平的輸出狀態,幅值也為UD/2;當90°<α<180°時導通角,三相電路輸出電壓有5個電平的輸出狀態[11]。

2 基于三電平驅動電路的調壓、調頻和調相

基于三電平的超聲波電機驅動電路,通過合理配置6個開關管的導通時序參數,可以實現超聲波電機的調壓、調頻和調相,從而實現電機調速。

對于三電平電路的各橋臂,每個橋臂上下兩個開關管的導通時序應避免引起橋臂的直通,從而損壞器件,如圖4所示。開關管S1和S2、S3和S4、S5和S6之間的開通延遲角均為γ+2φ,其中γ為S1與S6導通的延遲角,φ為二相驅動信號UUV、UWV的相位差,并設γ+2φ為180°,這樣就使得同一橋臂的上下兩個開關管的導通時序互差半個周期,從而不會引起直通;其次,U相橋臂和W相橋臂中開關管的時序相對于V相橋臂來說,呈對稱關系,從而使得兩相電壓波形保持一致。開關管S1和S3、S3和S5、S2和S4、S4和S6之間的延遲相位角均為γ+φ,這就使得兩相電壓波形一致,變量γ與導通角α之間的關系如圖5所示。

圖5 變量γ、φ與導通角α的關系

相位差φ一般在[0,90°]的范圍內變換,通過改變兩相的超前與滯后關系可以將調相范圍變成 [-90°,90°],因此延遲角的取值范圍變為[0,360°],延遲角與相位差之間的關系如圖6所示。

圖6 變量γ與φ的關系圖

以下討論驅動信號周期T、導通角α、相位差φ與三電平輸出的兩相驅動電壓基波幅值U1、頻率f、相位差φ之間的關系。

兩相驅動電壓的頻率等于PWM控制信號的頻率,調節三電平驅動信號PWM的頻率可以改變輸出電壓的頻率。通過控制各開關管導通角及相位差值,可以實現調相控制。

下面列出了不同相位差、導通角下開關管S1～S4的導通時序,共有4種情況:1)γ>φ,α∈(0,φ);2)γ>φ,α∈(γ,γ+φ);3)γ<φ,α∈(0,γ);4)γ<φ,α∈(γ+φ,180°)。圖7(a) 表示情況1及對應UWV、U1的電壓波形圖,圖7(b)表示情況4,其輸出電壓有5種狀態,其他情況依此類推。圖7(a)是在相位差略小的情況下得到,而圖7(b)是在相位差略大的情況下得到,同樣延遲角也會有相應調整,但都滿足γ+2φ=180°。

圖7 改變三電平電路變量及輸出波形

類比式(2),兩相電壓相位差φ、輸出導通角α、相位差與電壓基波幅值之間的關系可以得到式(3),同理圖7(b)的電壓基波幅值也可以得到式(3)的結果。

(3)

導通角α、相位差φ與電壓基波幅值之間的關系如圖8所示。

圖8 α、φ與電壓基波幅值間的關系圖

若保持信號周期不變,通過調整α和φ的值,使δ=sin(α/2)cos(φ/2)為常值,可以實現驅動電壓的調相,進而實現超聲波電機的調相,相位差可以在[-180°,180°]范圍內進行調整,導通角α與相位差φ的聯合調節如圖9所示。

圖9 α和相位差的聯合調節

在保持信號周期不變的情況下,調節導通角α,即可實現兩路驅動電壓調壓,并且電壓基波幅值與α呈正比例關系。由式(3)可以得到導通角與調壓比U1/UD之間的關系,即:

(4)

其結果如圖10所示。保持導通角不變,調節信號周期,可以實現兩路驅動電壓調頻。

圖10 導通角與調壓比關系

綜上所述,使用三電平電路為超聲波電機提供驅動電壓,并且通過調節三電平的導通角α、PWM信號周期以及調整γ和φ的值可以實現驅動電壓的調壓、調頻和調相控制。

3 實驗及結果分析

本文實驗使用基于半實物仿真的超聲波電機測控系統,整個測控系統包括硬件平臺和軟件平臺,其中硬件平臺包括南京瑞途優特信息科技有限公司的RTU數字控制器[11]和電機對拖平臺兩個部分。RTU數字控制器包括CPU板、脈寬調制( PWM) 板、AD、DA板卡等,實現測控過程的數據采集。CPU板為數字控制器平臺的核心部件。CPU板通過專用的總線來控制其他外設板卡,板上的通信接口包括10/100 M以太網Ethernet,隔離的RS232/ RS485接口等。脈寬調制( PWM) 板一共有60路PWM,其PWM由板卡的FPGA芯片產生,可支持多種PWM生成算法,同時RTU提供了16通道A/D轉換,16通道D/A轉換,36位數字I/O口等。底層驅動靜態庫RTU-BOX.Lib 將 RTU-BOX中所有硬件功能的驅動函數全部進行封裝,使用者需要時可直接調用。電機對拖平臺如圖11所示,平臺由光電編碼器、被測電機、力矩傳感器、負載電機4個部分組成。圖11中,①為光電編碼器;②為被測的超聲波電機;③為力矩傳感器;④為負載電機。半實物仿真平臺使用量程為2 N·m的電機力矩傳感器ZJ-2AM進行力矩測量。位置檢測采用分辨率為10 000脈沖/轉的光電編碼器,可以實現電機速度的測量。超聲波電機的型號為USR-60,其額定力矩為0.5 N·m,堵轉力矩為1 N·m。負載電機型號為60LCB040C-J43A16,可通過輸入電壓控制負載力矩,其輸出的最大力矩為1.27 N·m。RTU數字控制器的數據采樣頻率為2 kHz。

圖11 電機對拖平臺

電機轉速、力矩、電壓、負載等數據經過RTU數字控制器采集和處理后,傳送到上位機顯示與保存。RTU數字控制器中運行基于三電平的PWM波形發生和測控程序,上位機將采集到的數據進行保存、繪圖并分析實驗結果,實現基于三電平的超聲波電機驅動系統。RTU數字控制器平臺實物如圖12所示,包括相關板卡和上位機等。超聲波電機測試系統框圖如圖13所示。

圖12 RTU數字控制器平臺

圖13 電機測試系統框圖

本文利用RTU數字控制器控件自主開發三電平控制PWM_Ultrasonic模塊,如圖14所示,此模塊可以產生6路PWM波。Pwm Enable是使能端口,Phase端口用于輸入相位角數據,Frequency端口用于輸入驅動頻率數據,Duty端口用于輸入占空比數據,因此可以實現三電平的調頻、調相和調節占空比功能,配合電機速度測量模塊和負載控制模塊,實現基于三電平驅動的超聲波電機速度性能測試。

圖14 RTU三電平控制模型

實驗中母線電壓設為18.7 V,驅動頻率為41.8 kHz,S1～S6的占空比設置為0.5,兩相相位差為90°。由測試結果可知,其驅動電壓基波的峰峰值約為55～60 V左右,因此使用升壓變壓器對其進行升壓,實驗中使用的變壓器變比為1∶8。三電平電機輸入端的驅動信號波形如圖15所示。驅動電壓基波的峰峰值為260～270 V左右,主要是兩相變壓器變比和兩相阻抗的微小差異造成。

圖15 電機二相驅動波形

以下分別對三電平驅動電路調頻、調相和調節占空比的測試結果加以說明。

1)改變頻率時轉速的變化情況。調頻、調速時,保持6路PWM信號的占空比不變,且兩相驅動信號相位差保持不變。實驗時在RTU控制器中將驅動信號占空比設為0.4,驅動頻率初值設為41.5 kHz,空載情況下改變頻率值,速度測試結果如圖16所示。從圖16可知,在驅動頻率初值41.5 kHz右邊區域改變驅動頻率,電機速度變化較為緩慢;在頻率初值左邊改變頻率,電機速度變化劇烈,不易實現電機調速,這與非三電平驅動方式得到的結果一致。

圖16 不同頻率下轉速的變化情況

帶載情況下改變頻率調速時,要保持6路PWM驅動信號的占空比不變,且兩相驅動信號相位差保持不變。實驗時將驅動信號占空比設為0.4不變,驅動頻率初值暫設為41.5 kHz,然后通過改變頻率,測量不同負載時電機轉速的變化情況,如圖17所示。從圖17可知,負載在[0,0.37]N·m條件下改變驅動PWM頻率,電機速度變化的線性度較好,負載大于0.37 N·m時調頻調速的線性度較差,因此變頻調速需要選擇合適的負載大小。

圖17 不同負載下改變頻率轉速的變化情況

2)改變相位差時轉速的變化情況。對電機進行調相調速時,需要保持三相橋PWM驅動信號的頻率不變,通過修改開關導通角及相位差可以實現兩路驅動電壓調相,其中導通角與相位差需要配合調節使δ=sin(α/2)cos(φ/2)為常值。實驗中,常值δ可暫設為0.6,δ也可以設為其他值,只是對應的基波幅值不同而已。無負載情況下調相調速的結果如圖18所示。相位差在60°～80°時其線性度較好,80°～90°時其線性度不如60°～80°時好。

圖18 改變相位差時轉速變化情況

帶載情況下調相、調速時,實驗條件與前面無負載時相同。實驗時將驅動頻率值設為41.5 kHz不變,通過改變驅動信號的相位差,測量超聲波電機在帶載情況下電機轉速的變化情況,實驗結果如圖19所示。從圖19中可知,相位差為70°～90°且負載在[0,0.3]N·m條件下,調相時電機速度變化的線性度較好,負載大于0.3 N·m時調相調速的線性度較差,因此調相調速需要選擇合適的相位差和負載大小。由圖19可以看出,在相同的負載力矩參數的情況下,相位差增大,超聲波電機的轉速就增大;當相位差為90°時超聲波電機的轉速達到帶載時的最大值,小于90°后,超聲波電機的轉速呈現減小的趨勢;當負載力矩在不同相位差下變化時,超聲波電機的轉速都呈現減小的趨勢。

圖19 不同負載下調相的轉速變化情況

3)改變占空比時轉速的變化情況。改變三電平6路PWM驅動信號的占空比調速時,需要保持驅動信號的頻率不變,且兩相驅動信號的相位差保持不變。在RTU數字控制器中,實驗時在RTU控制器中將驅動信號頻率設為41.5 kHz,占空比初值設為0.4,在空載情況下改變PWM信號的占空比,電機轉速測試結果如圖20所示。占空比變大時電機速度增加,占空比變小時電機速度減小,類似于調壓調速[2-3]。

圖20 改變占空比時轉速的變化情況

RTU控制器中DAC 板卡的DAC 模塊用于將數字量轉換為模擬信號輸出。通過修改模塊的變量參數,就可以改變模擬電壓來控制電機負載大小,然后,通過RTU控制器的速度測量功能實現電機在帶載條件下的轉速測試。當DAC 模塊的變量設置為0.3時,對應的輸出模擬電壓量為3 V,對應的負載轉矩約為0.38 N·m,在電機驅動信號占空比為0.4,頻率為41.5 kHz的情況下,不同負載下的速度測試結果如圖21所示。

圖21 不同負載下的轉速情況

帶載情況下改變占空比調速時,要保持驅動信號的頻率大小不變,且兩相驅動信號相位差保持不變。改變三電平驅動電路中6路PWM信號的占空比大小,其占空比要保持一致。實驗時,驅動信號頻率與前面相同,占空比初值設為0.25,通過修改占空比來改變驅動信號的幅值,帶負載時不同占空比情況下電機轉速的結果如圖22所示。從圖22可知,負載改變時超聲波電機的機械特性類似于直流電機的機械特性,占空比越大其機械特性的線性度越好。

圖22 帶載時不同占空比的轉速變化情況

總之,通過合理選擇三電平驅動電路參數,在半實物仿真平臺空載和帶載情況下測量電機改變電壓、頻率、相位時的轉速情況,并對結果進行處理,得到相應的機械特性。從實驗結果可以看出,基于三電平的超聲波電機驅動電路可以實現電機的調頻、調相和調壓。

4 結 語

本文從基于三電平的超聲波電機驅動電路出發,分析使用基于三電平的電機驅動電路調壓、調頻和調相原理,得到三電平驅動電路的調速控制方法,并使用基于三電平驅動電路和半實物仿真系統對超聲波電機進行機械特性測試,得到基于三電平驅動電路的超聲波電機機械特性,實驗結果表明此驅動電路的有效性。