林星陵， 陳建毅

（廈門(mén)城市職業(yè)學(xué)院，福建 廈門(mén) 361008）

0 引言

超聲波電機(jī)是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型電機(jī)，其工作原理與傳統(tǒng)電磁電機(jī)不同，它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)超聲振動(dòng)，借助彈性體諧振放大，再通過(guò)摩擦耦合產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，超聲波電機(jī)有兩個(gè)顯著不同，一是超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要超聲頻率，二是由于壓電材料具有容性負(fù)載的特性，不同于傳統(tǒng)電機(jī)的感性或阻性負(fù)載。因此，需為超聲波電機(jī)設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電源［1-4］。

1 總體設(shè)計(jì)方案

超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路按相數(shù)可分為單相、兩相與三相。對(duì)于多數(shù)超聲波電機(jī)而言，由兩相頻率幅值相等、相位差為90°（或可調(diào)）的高頻交變信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電振子，電機(jī)便可正常工作［1，5-6］。本文將設(shè)計(jì)并制作一套輸出頻率可調(diào)、輸出電壓可調(diào)的驅(qū)動(dòng)電源。

利用555定時(shí)器接成的自激多諧振蕩器方式，以此來(lái)產(chǎn)生高頻方波信號(hào)，同時(shí)采用D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)信號(hào)分頻和反向，產(chǎn)生兩路相位上相差90°的方波信號(hào)，通過(guò)推挽逆變式電路放大驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓，滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)超聲波電機(jī)所需的電壓要求，考慮到超聲波電機(jī)是個(gè)容性負(fù)載，所以在驅(qū)動(dòng)電路加入串聯(lián)電感匹配。

2 升壓方案

與其他升壓方案比，推挽式逆變器電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單，且由于超聲波電機(jī)通常在數(shù)碼相機(jī)、車(chē)窗控制領(lǐng)域內(nèi)作為伺服電機(jī)使用，其驅(qū)動(dòng)一般都為低壓直流電源供電，推挽型電路比較合適［1］。推挽式逆變電路如圖1。

圖1 推挽式逆變電路工作原理圖

推挽式逆變電路的工作原理是：由前端波形發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)v1、v2，利用推挽逆變電路，使得變壓器T1的兩個(gè)輸入端交替通斷，把Vcc（12 V直流電源）逆變成如圖2所示的交流電壓信號(hào) U1，U1=Umsinωt；同理，在 v3、v4驅(qū)動(dòng)下，將在變壓器T2的輸出端產(chǎn)生電壓信號(hào)U2，由于 v3、v4分別與 v1和 v2相位相差 90°，故 U2=Umcosωt。這里具有相位差 的 驅(qū) 動(dòng) 信 號(hào) v1、v2、v3和 v4是方波信號(hào)，由555產(chǎn)生的信號(hào)。其傳遞方框圖如圖3。

圖2 推挽式逆變器原理電路電流、電壓波形

圖3 超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳遞圖

推挽式逆變電路的主要優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)通路徑上串聯(lián)的開(kāi)關(guān)管在任意時(shí)刻有且只有一個(gè)處于工作狀態(tài)，且驅(qū)動(dòng)電路具有公共地，其電路相對(duì)簡(jiǎn)單，但難以防止高頻狀態(tài)下變壓器的直流飽和。在逆變過(guò)程中應(yīng)避免開(kāi)關(guān)管同時(shí)接通的情況發(fā)生，同時(shí)，應(yīng)避免開(kāi)關(guān)管閉合的時(shí)間也太長(zhǎng)，以免出現(xiàn)電源“直流短路”現(xiàn)象。

3 開(kāi)關(guān)變壓器設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)變壓器的設(shè)計(jì)常用的有兩種方法，第一種是先求出磁芯窗口面積Aw與磁芯有效截面積Ae的乘積Ap（Ap=Aw×Ae，稱(chēng)磁芯面積乘積），根據(jù) Ap值，查表找出所需磁性材料之編號(hào)；第二種是先求出幾何參數(shù)，查表找出磁芯編號(hào)，再進(jìn)行設(shè)計(jì)。前者稱(chēng)為AP法，后者稱(chēng)為Kg法［7-8］。這里采用Kg法，經(jīng)過(guò)計(jì)算比較，選擇磁芯型號(hào)EC35。原邊匝數(shù)取10匝，副邊繞組匝數(shù)取200匝。

4 開(kāi)關(guān)電路硬件設(shè)計(jì)

4.1 9 0°移相電路設(shè)計(jì)

90°移相電路的實(shí)現(xiàn)，我們采用的是將兩個(gè)互為反向的信號(hào)分別二分頻。如圖4所示，方波信號(hào)A經(jīng)反向后得到A信號(hào)，再分別對(duì)A和A進(jìn)行二分頻，則得到A/2和A/2兩種信號(hào)，從圖4可以看出A/2和A/2兩種信號(hào)在相位上互差90°。

圖4 信號(hào)的二分頻

分頻器采用D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，考慮到電路工作電壓范圍，采用4000系列CMOS邏輯電路中雙D觸發(fā)器CD4013。如圖5中U1、U2為D觸發(fā)器，其輸入D接在其反向輸出上組成二分頻電路，三極管Q13做反向器用，C9、R19組成基極加速電路，為使三極管反向輸出后的波形邊沿更陡。兩個(gè)D觸發(fā)器輸出/2、A/2和共4組信號(hào)，分別控制兩個(gè)逆變器的4個(gè)開(kāi)關(guān)管［3］。

圖5 90°移相電路

4.2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)要求及其產(chǎn)生電路分析

為了在測(cè)試中能較為準(zhǔn)確地找到電機(jī)的最佳頻率工作范圍，要求電源輸出頻率能連續(xù)調(diào)整，如果用單片機(jī)、DSP等處理器的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，較難實(shí)現(xiàn)比較小的頻率步進(jìn)，所以這里選用模擬定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，它可以實(shí)現(xiàn)用多圈電位器連續(xù)可調(diào)。這里用555定時(shí)器的自激多諧振蕩器方式實(shí)現(xiàn)，555這種工作方式輸出占空比不為50%，為了使輸出波形為精確的50%占空比，這里用了D觸發(fā)器對(duì)其信號(hào)進(jìn)行2分頻，圖6中U3為D觸發(fā)器。

系統(tǒng)要求輸出頻率為15 kHz到100 kHz，因?yàn)榍昂笮盘?hào)需要進(jìn)行2次二分頻，相當(dāng)于四分頻。所以555的振蕩頻率在60 kHz到400 kHz調(diào)整。電路阻容器件參數(shù)如圖6。

4.3 開(kāi)關(guān)管電路

該電路選擇高速M(fèi)OSFET作為開(kāi)關(guān)管，型號(hào)為IRF540N，其導(dǎo)通電阻比較小，為0.077 Ω，具體如圖7。雙路逆變器需要的4組MOSFEF開(kāi)關(guān)電路是完全相同的設(shè)計(jì)。由于MOSFET的輸入電容比較大，一般在1 000 pF以上，不能直接用數(shù)字邏輯電路驅(qū)動(dòng)。圖中小功率高速開(kāi)關(guān)三極管Q7、Q8組成MOS管驅(qū)動(dòng)電路，用來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS開(kāi)關(guān)管IRF540N。C3、D1、R1為開(kāi)關(guān)變壓器浪涌吸收電路，保護(hù)MOS管不被高壓浪涌擊壞。

圖6 脈沖產(chǎn)生電路

圖7 開(kāi)關(guān)管電路

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的超聲波驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物照如圖8所示，該電路滿(mǎn)足了以下的基本功能：1）頻率15 kHz到100 kHz連續(xù)可調(diào)；2）能輸出相位成90°的兩路高頻信號(hào)；3）每路輸出功率在25 W以上；4）輸出電壓有效值為240 V（輸入12 V）；5）輸入電壓為 5～15 V 直流電；6）為了能有更好的實(shí)驗(yàn)效果，系統(tǒng)還加了散熱風(fēng)扇，數(shù)碼管顯示頻率等功能。

圖8 推挽式驅(qū)動(dòng)電源實(shí)物照

本文應(yīng)用該電源對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的超聲波電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)測(cè)試。在輸入電壓穩(wěn)定，定轉(zhuǎn)子間預(yù)壓力穩(wěn)定的條件下，我們測(cè)量了電機(jī)輸入頻率對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的影響，形成轉(zhuǎn)速-頻率曲線(xiàn)，如圖9所示。

圖9 電機(jī)頻率-轉(zhuǎn)速的特性曲線(xiàn)

在輸入頻率穩(wěn)定，定轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力穩(wěn)定的條件下，我們測(cè)量了電機(jī)輸入電壓對(duì)輸出轉(zhuǎn)速的影響，形成轉(zhuǎn)速-電壓曲線(xiàn)，如圖10所示。

圖10 驅(qū)動(dòng)電源輸入電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線(xiàn)圖

驅(qū)動(dòng)電路的性能在一定程度上決定了超聲波電機(jī)的運(yùn)行狀況。本文提出的設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可方便地實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的調(diào)頻、調(diào)壓，能夠驅(qū)動(dòng)超聲波電機(jī)平穩(wěn)、可靠地運(yùn)行。如能加入一些邏輯器件，則可對(duì)電機(jī)進(jìn)行各種控制。

［1］ 林星陵.縱扭復(fù)合型超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)制作與實(shí)驗(yàn)研究［D］.廈門(mén)：華僑大學(xué)，2008.

［2］ 劉宏偉.圓柱定子彎曲振動(dòng)超聲波電機(jī)及電源的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究［D］.廈門(mén)：華僑大學(xué)，2008.

［3］ 陳建毅.行波型超聲波電機(jī)設(shè)計(jì)制作及其控制系統(tǒng)的研究［D］.廈門(mén)：華僑大學(xué)，2003.

［4］ 鄭利.一種圓柱桿式超聲波電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究［D］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2012.

［5］ 姜楠，方光榮，劉俊標(biāo)，等.一種超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的研究［J］.壓電與聲光，2006,28（5）：549-550.

［6］ 鄭喆俊，楊明.超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)［J］.微特電機(jī)，2008（8）：62-65.

［7］ 陳向鋒，徐曄，孟祥朋，等.現(xiàn)有逆變器對(duì)PEMFC發(fā)電機(jī)適應(yīng)性仿真與實(shí)驗(yàn)研究［J］.農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（新能源產(chǎn)業(yè)），2009(8)：30-34.

［8］ 王水平，付敏江.開(kāi)關(guān)電源原理與實(shí)用電路［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1997.