柳莎莎　李　毅　彭　勇

摘 要：超聲電機(jī)的應(yīng)用場合要求其驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、集成度高，且超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)形式多樣，要求驅(qū)動(dòng)電源配套。BCS1608是一種3路電平轉(zhuǎn)換電路，可將2.5~5.5 V的電源電壓轉(zhuǎn)換為36 V高電平的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。簡要介紹其主要特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能，重點(diǎn)討論逆變部分的電路結(jié)構(gòu)，其兩相三橋臂的結(jié)構(gòu)提供了兩相和三相2種電壓輸出模式。給出該芯片在微型超聲電機(jī)BM730－A1中的應(yīng)用方案，得到很好的驅(qū)動(dòng)效果。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該芯片構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電源可靠性高，適合驅(qū)動(dòng)多種結(jié)構(gòu)微型超聲電機(jī)。

關(guān)鍵詞：BCS1608；驅(qū)動(dòng)芯片；兩相三橋臂電路；超聲電機(jī)

中圖分類號(hào)：TP211.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004－373X(2009)04－185－03

Drive Chip BCS1608 and Its Application in Ultrasonic Motors

LIU Shasha,LI Yi,PENG Yong

(Boly Media Communications (Shenzhen) Co.Ltd.,Shenzhen,518031,China)

Abstract：Simple configuration,low power consumption and high integration of drive power are needed by ultrasonic motor application,and matching drive power supply is requested for kinds of ultrasonic configurations.BCS1608 is a three－channel voltage inverter,supplied by 2.5~5.5 V low voltage and logic control signal,outputting high voltage 36 V driving signal.The main characteristics,internal structure and pin function are introduced.The inverter topology is disscused,and its two－phase three－leg circuit provids two－phase and thtee－phase output voltage modes.Its application in small ultrasonic motors BM730－A1 obtains good result.The simulation and experiment results indicate that the driver source composed of this chip with high reliability is suitable for multi－configuration ultrasonic motors.

Keywords：BCS1608;drive chip;two－phase three－leg circuit;ultrasonic motor

超聲電機(jī)是一種將壓電振子在超聲頻域的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)，它應(yīng)用壓電元件產(chǎn)生的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)體移動(dòng)。根據(jù)超聲電機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，由兩相頻率幅值相等、具有一定相位差的高頻交變電壓信號(hào)來驅(qū)動(dòng)壓電振子，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。超聲電機(jī)因其低速大轉(zhuǎn)矩，體積小，重量輕，功率密度大，響應(yīng)速度快，微位移，不受電磁影響等優(yōu)點(diǎn)，已在透鏡精密定位、相機(jī)鏡頭自動(dòng)聚焦系統(tǒng)、隧道掃描顯微鏡、壓電夾具體、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到應(yīng)用［1,2］。

超聲電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但其壓電元件需要高頻激勵(lì)［3,4］。目前其驅(qū)動(dòng)電源主要有3大類：一類是利用開關(guān)電源技術(shù)，由逆變來實(shí)現(xiàn)電壓升壓、能量傳遞、阻抗匹配和電源隔離，這種方法在國內(nèi)的行波型超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)中使用比較廣泛，但變壓器必須與不同信號(hào)的超聲電機(jī)匹配［5］；另一類利用諧振升壓產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)型號(hào)，雖然電路簡單，體積小，但是電感參數(shù)選取比較困難［6］；還有一類是采用正弦波型號(hào)直接放大輸入超聲電機(jī)，這種方法采用數(shù)字直接合成技術(shù)（DDS），以模擬放大電路為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)，激勵(lì)信號(hào)達(dá)到理論分析的要求，實(shí)現(xiàn)控制算法簡便靈活，但電路復(fù)雜，成本較高［7,8］。微型超聲電機(jī)應(yīng)用場合的特性要求其驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)緊湊，可電池供電，簡單易行。而BCS1608滿足以上要求，輸出電壓兩相/三相可選，因此可作為不同型號(hào)微型超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。

1 BCS1608的主要特點(diǎn)

BCS1608是博立碼杰通訊（深圳）有限公司自主研發(fā)推出的一款兩/三相升壓逆變器，輸入2.5~5.5 V電源及控制信號(hào)，輸出36 V高電壓兩相或三相驅(qū)動(dòng)電平，內(nèi)置開關(guān)頻率為500 kHz的Boost升壓模塊。該芯片待機(jī)電流低，功耗小，外圍電路簡單，體積小，可靠性高。

BCS1608可實(shí)現(xiàn)兩相或三相高壓輸出，切換方便。其應(yīng)用范圍包括錄像機(jī)、CD/DVD播放機(jī)、汽車音頻等音像設(shè)備，PC外圍設(shè)備，汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和辦公設(shè)備等。BCS1608的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其主要特性如下：

(1)直流輸入電壓，可直接由電池供電，無需外加變壓器或有源升壓開關(guān)器件；

(2)輸出電壓可調(diào)，幅值最高可達(dá)36 V；

(3)兩種工作模式，其中兩相輸出相位差為90°，三相輸出相位差為120°；

(4)待機(jī)電流??；

(5)體積小，僅為3 mm×3 mm，QFN封裝。

由圖1可知，BCS1608內(nèi)部電路分為3大模塊：升壓部分、相位控制邏輯部分和逆變部分。其中升壓部分采用Boost DC/DC升壓電路，相位控制邏輯部分根據(jù)相位控制信號(hào)SEL和DIR對輸入時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻和相移，為逆變部分提供開關(guān)信號(hào)。

2 引腳功能和外圍電路

BCS1608采用16腳QFN封裝，各引腳功能定義如下：

VBB：由DC－DC升壓得到的高壓電源，為驅(qū)動(dòng)部分供電；

AGND：模擬地；

DIR，SEL：控制3路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位，如表1所示；

GND：數(shù)字地；

IN：輸入時(shí)鐘信號(hào)；

SHDN：電路使能信號(hào)，高電平有效；

FB：DC－DC輸出電壓反饋引腳，設(shè)置VBB最高點(diǎn)壓；

VCC：輸入低壓電源腳；

SW：內(nèi)部NMOS開關(guān)管的漏輸出；

OUT1~OUT3：三路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出。

BCS1608的外圍電路簡單，需要快恢復(fù)二極管、電感和電容各1個(gè)與內(nèi)部電路組成Boost升壓電路，電阻2個(gè)用于反饋電壓，再外加1個(gè)電容起濾波作用，其簡單應(yīng)用電路如圖2所示。

3 逆變電路結(jié)構(gòu)

由于超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)所利用的振型的多樣性，因此超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式非常靈活和多樣化，也要求驅(qū)動(dòng)電源與之配套，使得驅(qū)動(dòng)電源可移植性差。而由BCS1608構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電源輸出兩相和三相可選，可驅(qū)動(dòng)多種不同結(jié)構(gòu)的超聲電機(jī)。

由于BCS1608要兼顧兩相和三相輸出，其逆變部分采用兩相三橋臂逆變電路，如圖3所示。

當(dāng)負(fù)載為兩相時(shí)，可選逆變電路有3種：半橋逆變電路、雙H橋逆變電路和兩相三橋臂逆變電路。半橋逆變電路結(jié)構(gòu)簡單，僅需要4個(gè)功率變換器組成2個(gè)橋臂即可，如圖3所示。雖然它所需功率開關(guān)器件少，成本低廉，穩(wěn)定性高，但是回饋電流會(huì)使前級(jí)變頻電源輸出電壓波動(dòng)較大，且需要對稱正負(fù)輸出電源［9］。采用雙H橋逆變電路則只需要單路穩(wěn)壓電源，兩相負(fù)載的電流也不再對電源形成大的干擾，直流電壓利用率也比半橋電路要高，如圖4所示，如ROHM公司的H橋驅(qū)動(dòng)器BD623X即采用這種電路；但同時(shí)功率開關(guān)器件數(shù)量較之半橋逆變電路增加一倍，結(jié)構(gòu)上也變得復(fù)雜［10］。實(shí)際應(yīng)用中將圖5中的中間兩只橋臂合二為一，成為公共橋臂，即圖3所示兩相三橋臂全橋逆變電路，既減少了開關(guān)器件的數(shù)目又保持了雙H橋的優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)負(fù)載為三相時(shí)，由于三相半橋逆變電路與兩相三橋臂逆變電路完全一致，因此可實(shí)現(xiàn)兩相和三相之間的靈活轉(zhuǎn)換。

4 輸出電壓仿真實(shí)驗(yàn)

由表1中可知電壓輸出模式分為2種：兩相模式和三相模式。兩相輸出時(shí)，輸出是輸入時(shí)鐘的兩分頻，而三相輸出時(shí)為輸入時(shí)鐘的三分頻。利用Matlab搭建BCS1608內(nèi)部電路逆變部分的仿真模型，如圖6所示，其中S函數(shù)輸入為輸出電壓控制信號(hào)的頻率;輸出為6個(gè)功率開關(guān)的開關(guān)信號(hào)，且根據(jù)SEL，DIR的不同值產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)使逆變電路輸出不同相位電壓，同時(shí)為防止同一橋臂直通，在S函數(shù)中設(shè)置了死區(qū)時(shí)間。改變SEL和DIR值，對上述2種工作模式進(jìn)行仿真，得到波形如圖7所示，輸出相電壓幅值均為36 V，頻率均為20 kHz。

5 應(yīng)用實(shí)例

選用了同為博立碼杰公司生產(chǎn)、用于手機(jī)攝像頭AF功能的BM730－A1型號(hào)的超聲電機(jī)。它是一款由粘接有壓電片的多邊形金屬螺母定子和帶有外螺紋的轉(zhuǎn)子組成的螺母型超聲電機(jī)。

在分區(qū)的壓電陶瓷上施加激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)出定子的面內(nèi)行波。

通過整個(gè)定子的螺紋表面驅(qū)動(dòng)與之相配合的螺紋轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并通過螺紋將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)電源由一塊3.7 V鋰電池、1片單片機(jī)和1片BCS1608及附加被動(dòng)元件組成。其中超聲電機(jī)既可采用兩相驅(qū)動(dòng)，也可采用三相驅(qū)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)電壓要求幅值為22±2 V，頻率為16.78 kHz。

圖8為BCS1608輸出線電壓波形，其中BCS1608為兩相輸出時(shí)，圖8(a)為超聲電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的波形，圖8(b)為超聲電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的波形；BCS1608 三相輸出時(shí)，圖8(c)為超聲電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的波形，圖8(d)為超聲電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的波形。

實(shí)驗(yàn)可得，BCS1608很好地驅(qū)動(dòng)了超聲電機(jī)，輸出波形失真小，效率高，可作為微型超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的首選。

6 結(jié) 語

BCS1608由于其高度集成的設(shè)計(jì)，外圍電路簡單，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，適合用于對結(jié)構(gòu)要求苛刻的超聲電機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：BCS1608兩種輸出模式可靠性高，可廣泛應(yīng)用于各種微型超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源中。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介 柳莎莎 碩士，2008年畢業(yè)于湘潭大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)位點(diǎn)，現(xiàn)在博立碼杰通信(深圳)有限公司從事超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制研究工作。