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        超聲電機驅(qū)動功率放大電路

        2018-08-23 00:38:06
        關(guān)鍵詞:功率放大磁芯峰峰

        (集美大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院,福建 廈門 361021)

        超聲電機(USM)的驅(qū)動信號是具有一定功率的高頻、高壓正弦交流信號[1-4],由驅(qū)動電路產(chǎn)生的原始小信號必須經(jīng)功率放大,才能滿足USM穩(wěn)定運行的驅(qū)動技術(shù)要求。USM使用壓電陶瓷作為驅(qū)動關(guān)鍵元件,考慮到其存在遲滯、非線性、儲存電荷、驅(qū)動能力大等特性[4-6],要求設(shè)計的信號功率放大電路應(yīng)具有穩(wěn)壓性好、輸出電壓較大、線性度高、非線性失真度小、電流驅(qū)動能力強等特點,從而產(chǎn)生較為理想的驅(qū)動效果。目前,對該信號進行功率放大主要有2種方法:一是利用功率金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)作為輸出級搭設(shè)的甲乙類對稱功率放大電路,這種開關(guān)式電路效率高,但輸出信號電壓波動大,電路實現(xiàn)復(fù)雜,頻率特性也較差[7];二是直接選用高壓運算放大芯片設(shè)計功放電路[4],如APEX公司出品的PA89、PA95等系列運算放大器(簡稱運放),具有靜態(tài)性能好、電路結(jié)構(gòu)簡單、輸出電壓高(峰峰值可達900 V)等優(yōu)點,但輸出電流小于200 mA,限制了其動態(tài)性能[7],同時芯片供電電壓要求嚴格,而且價格高達數(shù)千元,不利于USM的應(yīng)用推廣。

        本文中針對USM的驅(qū)動技術(shù)要求,設(shè)計開發(fā)出一種適用于USM的功率放大電路。 該功率放大電路是以通用運放AD811AN為基礎(chǔ),附加2個并聯(lián)的功率放大芯片及升壓變壓器,從而獲得數(shù)十伏至數(shù)百伏區(qū)間內(nèi)的輸出信號,同時該電路模塊采用集成運放,很大程度上減少了復(fù)雜電路計算,有利于實現(xiàn)USM驅(qū)動器的集成化與微型化,并擁有較好的穩(wěn)定性、可靠性及經(jīng)濟性,能夠滿足各功率類型超聲電機驅(qū)動需求。

        1 USM驅(qū)動器工作原理

        目前較成熟的USM驅(qū)動器基本工作原理如圖1所示,其主要由信號發(fā)生電路、濾波電路、移相電路與功率放大電路等部分組成。該驅(qū)動器首先由信號發(fā)生電路輸出2路或4路可調(diào)頻率的同頻等幅方波電壓信號,這些信號需要經(jīng)過濾波電路轉(zhuǎn)換成4路光滑的正弦電壓,并連接移相電路用于調(diào)整信號相位,然后功率放大電路對輸入信號進行一定的功率放大,使得到的高頻、高壓正弦信號可以驅(qū)動USM正常運行。

        圖1 超聲電機驅(qū)動器工作原理

        2 功率放大電路設(shè)計方案

        基于USM驅(qū)動信號要求,該功率放大電路的設(shè)計指標如表1所示。本設(shè)計要求輸入信號正弦交流電壓幅值在-10~+10 V范圍內(nèi),電路能夠輸出最大電壓峰峰值為600 V、工作頻率在20~60 kHz的驅(qū)動信號。同時考慮到功率運放芯片的工作溫度較高,需采用散熱片冷卻。

        本文中設(shè)計開發(fā)的USM組合式功率放大電路的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示,主要由電壓放大級、功率放大級和升壓變壓器組成。首先,原始輸入信號通過電壓運算放大級驅(qū)動將信號電壓放大,最大電壓峰值為10 V;然后進入由2個功放芯片OPA541AM組成的功率放大級,得到最大電壓峰值為20 V、連續(xù)輸出電流為10 A的交流信號;最后,由變壓器將信號電壓增大到數(shù)百伏,峰峰值電壓最大可以達到600 V,從而適用于各種功率大小的USM,具有良好的通用性。

        表1 功率放大電路設(shè)計指標

        圖2 功率放大電路原理

        3 電路設(shè)計與分析

        3.1 電壓放大級電路

        電壓放大級電路的運放芯片選用高速、寬波段、低失真度運算放大器AD811AN。該芯片在10倍增益、3 dB噪聲條件下,帶寬可達100 MHz,轉(zhuǎn)換速率為2 500 V/μs,其輸出電壓幅值可達±12 V,完全滿足信號工作頻率和電壓峰峰值要求。設(shè)計采用同相放大電路連接方式,供電電源電壓為±15 V,輸入信號電壓放大倍數(shù)G為1+R3/R2,可調(diào)電阻R3控制放大倍數(shù),生成的信號最大電壓峰峰值為20 V,電路如圖3所示,其中,供電電源接電容0.1、10 μF用于穩(wěn)定電壓。該電路采用Multisim進行仿真分析,結(jié)果見圖4。從圖中可以看出,信號被正確放大到±10 V,滿足設(shè)計要求。

        3.2 功率放大級電路

        功率放大級電路的作用是將前級信號幅值和功率進行放大,經(jīng)查看多款功放芯片資料后,本設(shè)計最終選用Burr-Brown公司生產(chǎn)的OPA541AM型高性能功率放大器。 該芯片電源輸入電壓最高可達± 40 V,可連續(xù)輸出5 A大電流,具有足夠的驅(qū)動負載能力,同時內(nèi)部存在過流保護電路,性能優(yōu)秀且性價比高,滿足超聲電機驅(qū)動需求。具體設(shè)計電路如圖5所示,電路結(jié)構(gòu)依然采用同相放大接法,電源電壓采用典型輸入電壓±30 V,并利用2個功率運算放大器OPA541AM并聯(lián)工作,從而獲得更大的輸出功率。

        圖3 電壓放大級電路圖

        圖4 電壓放大級仿真圖

        其中,功率運放U1的頻率特性通過推導(dǎo)可得

        (1)

        因此,該部分電路增益為

        (2)

        式中:ω為角頻率;C為電容;R1、R2、R3為電阻。

        功率運算放大器OPA541AM外接電阻,從而限流保護電路。其阻值由R3確定。2個功率運算放大器需分別輸出5 A電流,則R3為0.1 Ω。其中,C3、C4、C5、C6為去耦電容,用來穩(wěn)定電源。利用Multisim進行仿真分析,結(jié)果見圖6。由圖可以看出,輸出信號電壓幅值為±20 V,且波形無明顯失真。

        圖6 功率放大級仿真圖

        3.3 升壓變壓器設(shè)計

        USM的驅(qū)動要求適當(dāng)?shù)母唠妷?、小電流信號,而上述設(shè)計的功放電路電壓放大倍數(shù)有限,其峰峰值最大為數(shù)十伏,不能滿足驅(qū)動要求,因此必須設(shè)計合理的升壓變壓器,將前級功放電路輸出的信號電壓增大。該變壓器工作頻率為20~60 kHz,遠大于大多數(shù)電力變壓器,為了提高其性能和降低損耗,本文中選用EC型鐵氧體磁芯,鐵氧體材料具有剩余磁感應(yīng)強度小、磁導(dǎo)率及飽和磁感應(yīng)強度大等特性[8-9],適用于高頻變壓器。同時采用面積乘法(AP)設(shè)計此變壓器[9-10],該方法通過利用變壓器變比、工作頻率及功率,計算出磁芯窗口面積與磁芯橫截面積的乘積。相關(guān)已知參數(shù)如表2所示。

        首先,通過推導(dǎo)變壓器視在功率Ps、輸入功率Pi及輸出功率Po之間的關(guān)系,可得視在功率為

        Ps=Pi+Po=Po(1+1/η),

        (3)

        式中η為變壓器效率。

        然后,根據(jù)磁芯窗口面積Aw、磁芯有效截面積Ae與各個參數(shù)量之間的關(guān)系進行推導(dǎo),得到公式

        表2 變壓器已知參數(shù)

        (4)

        式中:J為電流密度;Bw為工作磁通密度;f為工作頻率;Ku為窗口利用系數(shù);Kf為波形系數(shù)。

        電流密度J和面積乘積值A(chǔ)p的關(guān)系式為

        (5)

        式中Kj為電流密度系數(shù)。

        將(4)、(5)式代入Ap=AwAe,進而可得面積乘積為

        (6)

        由于考慮到面積乘積Ap需要留有一定合適的余量,因此選用EC-35型鐵氧體磁芯。 該磁芯面積乘積、磁芯窗口面積與磁芯有效橫截面積分別為:Ap=1.201 2 cm4,Aw=107.25 mm2,Ae=112 mm2。根據(jù)這些數(shù)值,進行如下計算:

        原邊線圈匝數(shù)Np為

        (7)

        副邊線圈匝數(shù)Ns為

        (8)

        原邊電流Ip為

        (9)

        副邊電流Is為

        Is=Po/Vs=0.6 A;

        (10)

        原邊導(dǎo)線截面積Awp為

        Awp=Is/J=0.025 4 cm2;

        (11)

        副邊導(dǎo)線截面積Aws為

        Aws=Ip/J=1.52×10-3cm2。

        (12)

        通過查詢美國線規(guī)(AWG)并考慮一定余量,選用線徑為1.8 mm的原邊導(dǎo)線和線徑為0.44 mm的副邊導(dǎo)線,匝數(shù)分別為6、90。

        4 測試與分析

        依據(jù)上述設(shè)計電路及其參數(shù),搭建電壓放大與功率放大級電路板,焊接相關(guān)元器件并制作升壓變壓器進行測試分析。首先由信號發(fā)生器輸出峰峰值為5 V、頻率為40 kHz的電壓信號,經(jīng)第一級電壓放大電路將信號電壓峰峰值增大至20 V,然后此信號再通過第二級功率放大電路和升壓變壓器,最終輸出峰峰值為600 V的USM驅(qū)動信號。本文中使用RIGOL DS1102E型示波器觀察信號輸出效果,如圖7所示。從圖中可以看出,該功率放大電路模塊將輸入信號穩(wěn)定放大至預(yù)期值,但是存在少量高頻信號干擾,需要進行濾波處理,同時以4.7 kΩ電阻作為負載,得到如圖8所示信號波形,可以看出最終輸出信號波形效果較好。

        圖7 功率放大電路輸出信號波形

        圖8 負載輸出信號波形

        5 結(jié)論

        本文中基于USM驅(qū)動技術(shù)要求,設(shè)計開發(fā)了集成運放與變壓器組合式功率放大器。 電路低壓放大級采用低失真度運放AD811AN芯片,將原始信號準確放大至10 V;電路功率放大級選用高性能集成運放OPA541AM芯片,在保證電路性能的同時,簡化了電路設(shè)計復(fù)雜度及實際調(diào)試,并采取兩路功率放大芯片并聯(lián)方式輸出信號,提高了功率放大器的驅(qū)動負載能力與動態(tài)性能。適用于高頻信號的EC型鐵氧體磁芯,被運用在升壓變壓器上,此級輸出信號能夠驅(qū)動USM正常工作。對設(shè)計的整體電路進行測試,驗證了上述相關(guān)電路模塊的性能,結(jié)果表明其具有較好的線性度及穩(wěn)定性。該功率放大器能夠驅(qū)動不同功率大小的超聲電機,具備一定的通用性。

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