隨著超聲電機的理論研究和工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展,對驅(qū)動電源提出了小型化、通用化、智能化和集成化地要求。作為交流電源,國內(nèi)外市場上的種類繁多。它們大多都應(yīng)用在電壓比較大或頻率比較高的場合[1]。常用的驅(qū)動超聲電機的電源一般由四部分組成:信號發(fā)生電路、移相電路、功率放大電路和變壓器[2]?,F(xiàn)在變頻調(diào)速已經(jīng)成為一種主流的電機調(diào)速方案,許多驅(qū)動電路均選擇采用該項技術(shù)。本設(shè)計中,由于在信號發(fā)生電路中巧妙地選擇了精密函數(shù)發(fā)生器ICL8038芯片,通過調(diào)節(jié)ICL8038的輸入電壓的大小,可實現(xiàn)驅(qū)動電路的調(diào)頻調(diào)幅,進而實現(xiàn)輸出信號的調(diào)幅調(diào)頻,達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。本設(shè)計無需另加變頻電路和調(diào)幅電路,節(jié)省了硬件空間。同時,本設(shè)計驅(qū)動電源采用兩相輸出,原理上是一模一樣的,由于分別可以調(diào)相,從而在電機的兩相輸入時,輸入信號有一個相位差,通過調(diào)節(jié)相位差,可以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。
本設(shè)計占用最小的硬件空間,采用純模擬器件,同時能夠調(diào)頻調(diào)幅和調(diào)相,是一款較為實用的超聲電機驅(qū)動電源。
圖1 總體硬件框架圖
圖2 信號發(fā)生電路
圖3 移相電路
圖4 功率放大電路
圖5 輸入頻率為30kHz,相移為82°
圖6 輸入頻率為40kHz,相移為63.4°
基于功率放大器的超聲波電機驅(qū)動電源由四部分組成,信號發(fā)生電路、移相電路、功率放大電路和變壓器,要求能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相的功能。信號發(fā)生電路產(chǎn)生頻率可調(diào)的超聲頻率正弦波信號,經(jīng)過分頻相移電路產(chǎn)生有相位差的兩相信號,作為功率放大電路的控制信號。功放電路完成兩個功能:功率放大和負載匹配,功率放大將控制信號放大。變壓器把功放輸出信號升壓,以達到滿足驅(qū)動電機的電壓要求。
通過方案的比較和設(shè)計思路的分析以及元件的選擇,已基本確定系統(tǒng)的基本構(gòu)成,總體硬件框架圖如圖1所示。
本設(shè)計電路包括了四個重要組成部分:信號發(fā)生電路、移相電路、功率放大電路和變壓器升壓,每部分在電路中都承擔(dān)著不同的任務(wù)。信號發(fā)生電路要產(chǎn)生頻率為40kHz,且幅值可調(diào)的正弦波波形;移相電路實現(xiàn)嚴(yán)格的0°~180°移相功能;功率放大電路現(xiàn)實放大輸入電流,進而放大功率的功能,要求能輸出電壓為24V左右,電流1到2安培,功率為40W左右的輸出信號。由于變壓器升壓有現(xiàn)成模塊,故在這里不做深究。
本設(shè)計中采用的信號發(fā)生電路是信號發(fā)生器ICL8038典型的應(yīng)用電路[3],如圖2所示。
由圖2可以看出ICL8038各端口外接電路的情況。8引腳接頻率調(diào)節(jié)電源,引腳4、5、9都是經(jīng)過一個電阻接+Vcc,這里的Vcc取10V。引腳10和12分別經(jīng)過一個電容和電阻接-Vcc,Vcc也是取10V。而引腳6、11則直接分別引到正Vcc和負Vcc。經(jīng)過計算,R11、R12、R13均取10k,R14取82k,而電容C3則取3300pF。由于信號發(fā)生電路輸出的電流較小,所以R15一般應(yīng)取幾十千歐姆左右。
輸出信號的調(diào)幅通過改變8腳的電壓輸入大小實現(xiàn),輸出信號的調(diào)頻則由R11、R12、C3以及引腳8的電位決定。
本設(shè)計采用的移相電路見圖3,通過理論計算可證明,它能實現(xiàn)嚴(yán)格的移相功能[4]。
由圖3可知:
由(5)式可知輸出幅頻特性恒等于1,即電路的增益為1,波形的幅值沒有變化,符合移相的目的。由(6)式觀察相頻特性,可知改變相位差,可以通過改變輸入頻率w,可變電阻R和電容C來實現(xiàn),而由于電容一般是固定的,所以在這里我們主要通過w和R來改變相位差。
本設(shè)計選用準(zhǔn)互補對稱功率放大電路,如圖4所示。
由圖4可見,整個功率放大電路由兩個電阻,四個二極管,兩個PNP,兩個NPN和一個電容組成[5]。
Q1,Q2,Q3,Q4:上述互補對稱放大電路要求一對特性一致的NPN和PNP型功率輸出管。在輸出功率不太大時,較容易適配管子,但在要求輸出功率較大時,就難以配對。利用復(fù)合管結(jié)構(gòu),可以消除兩邊的不對稱性,同時還能增大放大倍數(shù)。在這里,Q1和Q2,Q3和Q4分別組成復(fù)合管。
另外,根據(jù)復(fù)合管T1,T2各級電流的流向和近似關(guān)系,可以得出復(fù)合管連接原則和等效管型判別方法:(1)按T1,T2管電流前后一致的規(guī)律連接;(2)復(fù)合后的等效管型取決于前一只管子T1的管型;(3)復(fù)合后等效管的總電流放大系數(shù)B=B1*B2。
實驗結(jié)果見圖5和圖6。由實驗結(jié)果可知,驅(qū)動電源的輸出可實現(xiàn)調(diào)相、調(diào)幅和調(diào)頻,符合本設(shè)計用于驅(qū)動超聲電機的要求,達到預(yù)期目的。
從以上電路分析可得知通過改變可變電阻,可實現(xiàn)移相的功能,同時這也是本設(shè)計移相的主要方法。圖6中,波形的周期為25us。設(shè)為T。右下角的數(shù)據(jù)即為A相超前(滯后)B相的時間,為方便表達,設(shè)為t。故移相的相位為φ =t*2Π/T 。實驗結(jié)果經(jīng)與理論計算對比,有一定誤差,但在控制范圍內(nèi)。
本文提出的基于功率放大器的超聲波電機驅(qū)動電源。函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為40kHz左右的正弦波信號作為輸入信號,通過改變函數(shù)發(fā)生器的輸入電壓可改變產(chǎn)生波形的頻率和幅值,移相電路采用了RC移相電路中典型的0~90°移相,在電路能實現(xiàn)調(diào)相的目的。采用了功率三極管TIP41C及其對管,放大了電流,從而達到放大功率的目的。
系統(tǒng)的變頻調(diào)節(jié)是通過改變輸入信號的頻率實現(xiàn),通過調(diào)節(jié)輸入信號的大小可以調(diào)幅。由于本系統(tǒng)有兩路輸出,改變兩個移相電路的可變電阻,可實現(xiàn)輸出的相位差的變化,從而實現(xiàn)對電機的調(diào)相調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。
本設(shè)計不僅可對正弦波實現(xiàn)低高頻移相和放大的功能,對方波,三角波等波形亦可實現(xiàn)放大,這是本驅(qū)動電源最大的優(yōu)點,但對正弦波外的波形不能實現(xiàn)移相。
[1]曹操軍,陳潤恩,王桂英.變交流術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2002,1-178.
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