趙 冉，盧全國

(南昌工程學(xué)院，江西南昌330099)

0 引 言

超磁致伸縮式慣性沖擊電機(jī)是一種利用超磁致伸縮材料在變化磁場作用下快速變形而產(chǎn)生的慣性沖擊來實(shí)現(xiàn)微位移的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)［1］。與傳統(tǒng)壓電式慣性沖擊電機(jī)［2］相比，它具有能量密度高、磁－機(jī)耦合系數(shù)大、帶載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)［3］。由于超磁致伸縮棒的形變受磁場強(qiáng)度控制，其驅(qū)動(dòng)線圈可等效為阻感負(fù)載［4］，要求其驅(qū)動(dòng)信號(hào)為鋸齒波電流信號(hào)(如圖1所示)。因此，超磁致伸縮慣性沖擊電機(jī)的運(yùn)動(dòng)定位精度受驅(qū)動(dòng)電源的電流跟蹤控制精度影響。為實(shí)現(xiàn)鋸齒波電流信號(hào)的精確跟蹤控制，簡化電路結(jié)構(gòu)，本文提出了一種基于Buck變換器的電流滯環(huán)控制策略。本文對(duì)Buck電路的電流滯環(huán)控制工作原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)電路的開關(guān)工作頻率進(jìn)行分析計(jì)算，最后搭建了電源樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，電路具有電流調(diào)節(jié)線性度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，可滿足磁致伸縮式慣性沖擊電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求。

圖1 超磁致伸縮慣性沖擊電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)信號(hào)

1 工作原理

超磁滯伸縮慣性沖擊電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理如圖2所示，主電路采用Buck變換器［5］，其中Vi為直流輸入電壓，S為半導(dǎo)體開關(guān)，VD續(xù)流二極管，L、C分別為濾波電容和濾波電感。慣性沖擊電機(jī)電路等效模型以電感La和電阻Ra表示。電路同時(shí)對(duì)輸出電流ia、電壓Vo進(jìn)行采樣，電流滯環(huán)控制器利用所設(shè)置的環(huán)寬及電流電壓采樣值進(jìn)行計(jì)算，從而產(chǎn)生開關(guān)的PWM 控制信號(hào)［6］。

圖2 基于Buck電路的滯環(huán)電流控制原理

圖3 開關(guān)工作波形

2 電路工作頻率分析

在電流滯環(huán)控制下的一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電流的工作波形的幾何關(guān)系如圖4所示，根據(jù)文獻(xiàn)［7］提供的計(jì)算方法，可對(duì)電路的開關(guān)頻率進(jìn)行計(jì)算分析。

圖4 電流波形幾何關(guān)系

AB段:

BC段:

已知Buck電路輸入輸出電壓之間的關(guān)系為Vo=DVi，代入式(9)可以得到:

由式(9)可得到開關(guān)頻率最大值:

由式(10)可知，開關(guān)頻率的最大值與環(huán)寬h和給定信號(hào)的斜率有關(guān)，環(huán)寬及給定信號(hào)的斜率越小，則開關(guān)頻率越高。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

輸入電壓Vi=30 V，開關(guān)S采用場效應(yīng)管IRPF260，續(xù)流二級(jí)管VD采用MUR1560，電感L=231 μH，濾波電容 C=2.2 μF，慣性沖擊電機(jī)的等效電感La=19 mH，等效電阻Ra=8 Ω，給定鋸齒波信號(hào)的頻率f=80 Hz，電流滯環(huán)環(huán)寬h=0.4 A。

圖5 電流工作波形和紋波

圖5 (a)為鋸齒波電流工作波形，電流Ia幅值為3.8 A，工作頻率為80 Hz。由圖可知，電流跟蹤效果較好，波形畸變小。圖5(b)為開關(guān)S的PWM控制信號(hào)及輸出電流紋波，電路開關(guān)工作模式符合本文對(duì)工作原理的分析，且輸出電流紋波較小。

圖6 電流諧波分析

4 結(jié) 語

針對(duì)磁致伸縮慣性沖擊電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，本文提出了一種基于Bcuk變換器的電流滯環(huán)控制策略，并對(duì)電路的開關(guān)頻率進(jìn)行了計(jì)算分析，最后搭建了一臺(tái)300 W實(shí)驗(yàn)電路。結(jié)果證明，采用了電流滯環(huán)控制的驅(qū)動(dòng)電源具有電流跟蹤效果好、波形畸變小的特點(diǎn)，能夠有效提高慣性沖擊電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制精度，且電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。但是，由于采用滯環(huán)控制時(shí)電路開關(guān)頻率不固定，造成了電路濾波器設(shè)計(jì)較為困難，輸出電流存在一定的諧波，這是目前采用滯環(huán)跟蹤控制的不足之處。

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