，

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

超聲電機(jī)(USM)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是具有一定功率的高頻、高壓正弦交流信號(hào)[1-4]，由驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的原始小信號(hào)必須經(jīng)功率放大，才能滿足USM穩(wěn)定運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)技術(shù)要求。USM使用壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵元件，考慮到其存在遲滯、非線性、儲(chǔ)存電荷、驅(qū)動(dòng)能力大等特性[4-6]，要求設(shè)計(jì)的信號(hào)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(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，從而產(chǎn)生較為理想的驅(qū)動(dòng)效果。目前，對(duì)該信號(hào)進(jìn)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(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)作為輸出級(jí)搭設(shè)的甲乙類對(duì)稱功率放大電路，這種開(kāi)關(guān)式電路效率高，但輸出信號(hào)電壓波動(dòng)大，電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，頻率特性也較差[7]；二是直接選用高壓運(yùn)算放大芯片設(shè)計(jì)功放電路[4]，如APEX公司出品的PA89、PA95等系列運(yùn)算放大器(簡(jiǎn)稱運(yùn)放)，具有靜態(tài)性能好、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出電壓高(峰峰值可達(dá)900 V)等優(yōu)點(diǎn)，但輸出電流小于200 mA，限制了其動(dòng)態(tài)性能[7]，同時(shí)芯片供電電壓要求嚴(yán)格，而且價(jià)格高達(dá)數(shù)千元，不利于USM的應(yīng)用推廣。

本文中針對(duì)USM的驅(qū)動(dòng)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)開(kāi)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(yùn)放AD811AN為基礎(chǔ)，附加2個(gè)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(hào)，同時(shí)該電路模塊采用集成運(yùn)放，很大程度上減少了復(fù)雜電路計(jì)算，有利于實(shí)現(xiàn)USM驅(qū)動(dòng)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(jì)性，能夠滿足各功率類型超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求。

1 USM驅(qū)動(dòng)器工作原理

目前較成熟的USM驅(qū)動(dòng)器基本工作原理如圖1所示，其主要由信號(hào)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(dòng)器首先由信號(hào)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(hào)，這些信號(hào)需要經(jīng)過(guò)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(hào)相位，然后功率放大電路對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行一定的功率放大，使得到的高頻、高壓正弦信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)USM正常運(yùn)行。

圖1 超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作原理

2 功率放大電路設(shè)計(jì)方案

基于USM驅(qū)動(dòng)信號(hào)要求，該功率放大電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。本設(shè)計(jì)要求輸入信號(hào)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(dòng)信號(hào)。同時(shí)考慮到功率運(yùn)放芯片的工作溫度較高，需采用散熱片冷卻。

本文中設(shè)計(jì)開(kāi)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(jí)、功率放大級(jí)和升壓變壓器組成。首先，原始輸入信號(hào)通過(guò)電壓運(yùn)算放大級(jí)驅(qū)動(dòng)將信號(hào)電壓放大，最大電壓峰值為10 V；然后進(jìn)入由2個(gè)功放芯片OPA541AM組成的功率放大級(jí)，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(hào)；最后，由變壓器將信號(hào)電壓增大到數(shù)百伏，峰峰值電壓最大可以達(dá)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(jì)指標(biāo)

圖2 功率放大電路原理

3 電路設(shè)計(jì)與分析

3.1 電壓放大級(jí)電路

電壓放大級(jí)電路的運(yùn)放芯片選用高速、寬波段、低失真度運(yùn)算放大器AD811AN。該芯片在10倍增益、3 dB噪聲條件下，帶寬可達(dá)100 MHz，轉(zhuǎn)換速率為2 500 V/μs，其輸出電壓幅值可達(dá)±12 V，完全滿足信號(hào)工作頻率和電壓峰峰值要求。設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)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(jìn)行仿真分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖中可以看出，信號(hào)被正確放大到±10 V，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 功率放大級(jí)電路

功率放大級(jí)電路的作用是將前級(jí)信號(hào)幅值和功率進(jìn)行放大，經(jīng)查看多款功放芯片資料后，本設(shè)計(jì)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(dá)± 40 V，可連續(xù)輸出5 A大電流，具有足夠的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力，同時(shí)內(nèi)部存在過(guò)流保護(hù)電路，性能優(yōu)秀且性價(jià)比高，滿足超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求。具體設(shè)計(jì)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(gè)功率運(yùn)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(jí)電路圖

圖4 電壓放大級(jí)仿真圖

其中，功率運(yùn)放U1的頻率特性通過(guò)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(yùn)算放大器OPA541AM外接電阻，從而限流保護(hù)電路。其阻值由R3確定。2個(gè)功率運(yùn)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(lái)穩(wěn)定電源。利用Multisim進(jìn)行仿真分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖可以看出，輸出信號(hào)電壓幅值為±20 V，且波形無(wú)明顯失真。

圖6 功率放大級(jí)仿真圖

3.3 升壓變壓器設(shè)計(jì)

USM的驅(qū)動(dòng)要求適當(dāng)?shù)母唠妷?、小電流信?hào)，而上述設(shè)計(jì)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(dòng)要求，因此必須設(shè)計(jì)合理的升壓變壓器，將前級(jí)功放電路輸出的信號(hào)電壓增大。該變壓器工作頻率為20～60 kHz，遠(yuǎn)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(qiáng)度小、磁導(dǎo)率及飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大等特性[8-9]，適用于高頻變壓器。同時(shí)采用面積乘法(AP)設(shè)計(jì)此變壓器[9-10]，該方法通過(guò)利用變壓器變比、工作頻率及功率，計(jì)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(guò)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(gè)參數(shù)量之間的關(guān)系進(jìn)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(jìn)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(jìn)行如下計(jì)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(guò)查詢美國(guó)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(cè)試與分析

依據(jù)上述設(shè)計(jì)電路及其參數(shù)，搭建電壓放大與功率放大級(jí)電路板，焊接相關(guān)元器件并制作升壓變壓器進(jìn)行測(cè)試分析。首先由信號(hào)發(fā)生器輸出峰峰值為5 V、頻率為40 kHz的電壓信號(hào)，經(jīng)第一級(jí)電壓放大電路將信號(hào)電壓峰峰值增大至20 V，然后此信號(hào)再通過(guò)第二級(jí)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(dòng)信號(hào)。本文中使用RIGOL DS1102E型示波器觀察信號(hào)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(hào)穩(wěn)定放大至預(yù)期值，但是存在少量高頻信號(hào)干擾，需要進(jìn)行濾波處理，同時(shí)以4.7 kΩ電阻作為負(fù)載，得到如圖8所示信號(hào)波形，可以看出最終輸出信號(hào)波形效果較好。

圖7 功率放大電路輸出信號(hào)波形

圖8 負(fù)載輸出信號(hào)波形

5 結(jié)論

本文中基于USM驅(qū)動(dòng)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了集成運(yùn)放與變壓器組合式功率放大器。 電路低壓放大級(jí)采用低失真度運(yùn)放AD811AN芯片，將原始信號(hào)準(zhǔn)確放大至10 V；電路功率放大級(jí)選用高性能集成運(yùn)放OPA541AM芯片，在保證電路性能的同時(shí)，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度及實(shí)際調(diào)試，并采取兩路功率放大芯片并聯(lián)方式輸出信號(hào)，提高了功率放大器的驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力與動(dòng)態(tài)性能。適用于高頻信號(hào)的EC型鐵氧體磁芯，被運(yùn)用在升壓變壓器上，此級(jí)輸出信號(hào)能夠驅(qū)動(dòng)USM正常工作。對(duì)設(shè)計(jì)的整體電路進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)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(dòng)不同功率大小的超聲電機(jī)，具備一定的通用性。