一種具有頻率跟蹤功能的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)器
周維，徐志科，金龍
(東南大學(xué)，江蘇南京201196)
摘要：介紹了一種具有頻率跟蹤功能的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。因各種原因，超聲波電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生諧振頻率漂移現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速下降、效率降低。電壓電流的相位差即阻抗角特性反映了電機(jī)定子的諧振特性，通過(guò)不斷調(diào)整控制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率，保持電機(jī)一相驅(qū)動(dòng)電壓與電流的相位差恒定不變，使電機(jī)始終運(yùn)行在較佳頻率點(diǎn)，提高電機(jī)的輸出效率。該驅(qū)動(dòng)器改變電路中比較器初始相位差設(shè)定值，電路可以跟蹤相位差變化實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波電機(jī)的穩(wěn)速控制功能。
關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī)；鎖相環(huán)；頻率跟蹤：驅(qū)動(dòng)器
O引言
超聲波電機(jī)是一種全新概念的驅(qū)動(dòng)微電機(jī)，與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)依靠電磁介質(zhì)來(lái)傳遞能量不同，超聲波電機(jī)不含磁極和繞組，它是通過(guò)在壓電陶瓷上施加高頻交流電壓利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)超聲振動(dòng)，再通過(guò)振動(dòng)體和移動(dòng)體之間的摩擦耦合，將壓電振子的微觀振動(dòng)變換成轉(zhuǎn)子宏觀上的旋轉(zhuǎn)或者直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。超聲波電機(jī)作為一種直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)從20世紀(jì)80年代以來(lái)備受各國(guó)科研工作者的青睞，已成為當(dāng)前機(jī)電控制領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
但是電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，從而使其溫度顯著上升。溫度的上升會(huì)使其諧振頻率發(fā)生漂移，轉(zhuǎn)速發(fā)生明顯變化，轉(zhuǎn)換效率降低。此外，由于負(fù)載的變化會(huì)引起電機(jī)參數(shù)的變化，進(jìn)而也會(huì)導(dǎo)致其諧振頻率漂移。本驅(qū)動(dòng)器通過(guò)鎖相環(huán)的頻率跟蹤功能，通過(guò)不斷調(diào)整控制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率，使電機(jī)較穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)在較佳工作狀態(tài)。
1頻率跟蹤原理
超聲波電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于溫度特性等因素的影響，電機(jī)定子的諧振特性曲線會(huì)發(fā)生漂移，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，效率降低。此外，由于負(fù)載的變化會(huì)引起電機(jī)參數(shù)的變化，進(jìn)而也會(huì)導(dǎo)致其諧振頻率漂移。
圖1所示為超聲波電機(jī)通常工作區(qū)域的阻抗相頻特性曲線，φ為電壓電流相位差，f表示電機(jī)驅(qū)動(dòng)率。假設(shè)電機(jī)原來(lái)工作在Q點(diǎn)，電壓電流相位差為φ，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)頻率為而，由于溫度特性等因素的影響，電機(jī)定子的諧振特性曲線會(huì)發(fā)生漂移，且有較好的平移性，虛線和實(shí)線分別表示溫度為乃和n時(shí)的特性曲線，T1>T0。如果驅(qū)動(dòng)頻率不變，電機(jī)工作點(diǎn)將轉(zhuǎn)移至Q1點(diǎn)，電壓電流相位差增大至φ電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。如果設(shè)法保持工作點(diǎn)不變，即φ=φref，此時(shí)電機(jī)速度會(huì)基本保持不變，電機(jī)回到原來(lái)工作點(diǎn)。所以可以通過(guò)采集和處理電機(jī)運(yùn)行時(shí)電壓電流相位差信號(hào)，不斷調(diào)整控制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率，維持相位差不變，使電機(jī)始終運(yùn)行在較佳頻率點(diǎn)。
2驅(qū)動(dòng)器工作原理
2 1 PWM波生成電路
鎖相環(huán)cD4046內(nèi)部的壓控振蕩器產(chǎn)生高頻脈沖信號(hào)，作為雙向移位寄存器74Lsl94的時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)初始計(jì)數(shù)初值設(shè)置利用其移位功能產(chǎn)生四路PwM波信號(hào)，作為全橋逆變電路的開關(guān)信號(hào)，移位寄存器左移右移功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。
2 2超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
電路采用直流供電，因此需要逆變升壓電路。移位寄存器產(chǎn)生的PwM波信號(hào)，送入全橋逆變電路。全橋逆變電路想通過(guò)先通過(guò)L298將5v直流電壓轉(zhuǎn)換為12v直流電壓，然后將其轉(zhuǎn)化成兩相相差90。的高頻交流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。
2 3電壓電流采樣電路
超聲波電機(jī)使用兩相驅(qū)動(dòng)，采用簡(jiǎn)單的分壓電路和比較器列電機(jī)任一相的電壓電流信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣電路如圖4所示。在一相變壓器的輸出端并聯(lián)兩個(gè)分壓電阻，由圖3中電阻R9分壓得電壓采樣信號(hào)，純電阻網(wǎng)絡(luò)采樣信號(hào)和變壓器輸出信號(hào)同相。將電流信號(hào)采樣電阻R10采用外分接法與電機(jī)一相串聯(lián)，此時(shí)采樣電阻R8和R9要盡量大，以減小分流。
2 4鎖相環(huán)cD4046基本原理
電壓電流信號(hào)經(jīng)采樣后為正弦波信號(hào)，故需經(jīng)過(guò)過(guò)零比較后轉(zhuǎn)換成兩路方波信號(hào)。方波的幅值反映了電壓和電流相位差。兩列方波再通過(guò)cD4046鑒相器PD鑒相輸出為電壓和電流相位差的信號(hào)UD，信號(hào)經(jīng)外接低通濾波電路LF濾波成反映相位差變化的直 |
