調(diào)頻調(diào)幅調(diào)相的超聲波電動(dòng)機(jī)控制電路
史敬灼
(河南科技大學(xué)，河南洛陽471003)
摘要：針對超聲波電動(dòng)機(jī)工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的需求，給出了一種可調(diào)頻調(diào)幅稠相的超聲波電動(dòng)機(jī)低成本驅(qū)動(dòng)控制電路，分析了其結(jié)構(gòu)及工作原理，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，效果良好。
關(guān)鍵詞：超聲波電動(dòng)機(jī)；控制電路；Lc諧振
中圖分類號(hào)：TM35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)01—0046一04
O引 言
超聲波電動(dòng)機(jī)是一種新型的運(yùn)動(dòng)控制執(zhí)行元件，具有不同于傳統(tǒng)電機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)[1,2]。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，超聲波電動(dòng)機(jī)有結(jié)構(gòu)簡單，不需要線圈，重量輕，驅(qū)動(dòng)部件形狀靈活，無噪聲，無磁場輻射干擾，功率質(zhì)量比大，微位移直接驅(qū)動(dòng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得超聲波電動(dòng)機(jī)在航空航天、機(jī)器人、精密加工設(shè)備、醫(yī)療儀器、生物工程設(shè)備等高端運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域及家用電器、汽車電子等普通運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景[3,4]。
目前，超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[1-4]，一定程度上限制了其工業(yè)化應(yīng)用。本文提出了一種全功能型的超聲波電動(dòng)機(jī)低成本驅(qū)動(dòng)控制電路，該電路輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率、幅值、相位均可調(diào)，可作為一種通用驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用于不同需求場合。
下文給出了電路結(jié)構(gòu)，分析了工作原理，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，效果良好。
1調(diào)頻調(diào)幅調(diào)相的超聲波電動(dòng)機(jī)控制電路
圖1為本文所述超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的基本結(jié)構(gòu)框圖。圖中開關(guān)器件(MOSEET)連接為半橋結(jié)構(gòu)，將直流電壓轉(zhuǎn)換為高頻方波驅(qū)動(dòng)電壓，施加于由串聯(lián)匹配電感與超聲波電動(dòng)機(jī)中的容性壓電陶瓷片構(gòu)成的Lc諧振電路。串聯(lián)匹配電感可以有效地濾除方波驅(qū)動(dòng)電壓中的高頻諧波成分，實(shí)現(xiàn)近似的正弦波驅(qū)動(dòng)。
這里，串聯(lián)匹配電感值的設(shè)計(jì)可以有兩種不同的方法。一是以提高超聲波電動(dòng)機(jī)端電壓為目的，設(shè)計(jì)串聯(lián)匹配電感值，使得Lc電路在超聲波電動(dòng)機(jī)工作頻率發(fā)生諧振。即電感L取值為：
式中：f為超聲波電動(dòng)機(jī)工作頻率，c為超聲波電動(dòng)機(jī)一相的等效電容。通常超聲波電動(dòng)機(jī)工作頻率都不是一個(gè)確定的值，而是在靠近超聲波電動(dòng)機(jī)機(jī)械共振頻率的一個(gè)小范圍內(nèi)變化的；用來計(jì)算電感值的工作頻率數(shù)值，可取為超聲波電動(dòng)機(jī)機(jī)械共振頻率值。
分析Lc諧振電路可知，當(dāng)Lc電路工作在其諧振頻率時(shí)，超聲波電動(dòng)機(jī)(容性)端電壓并非其可能達(dá)到的****值；該****值出現(xiàn)在略低于諧振頻率的工作點(diǎn)。為了充分利用Lc諧振的升壓作用提高超聲波電動(dòng)機(jī)端電壓，可以取電感為小于式(1)計(jì)算值的某一數(shù)值，具體數(shù)值取決于電機(jī)、電感參數(shù)及其分布參數(shù)。
采用上述方法設(shè)計(jì)串聯(lián)匹配電感值，將使得LC電路工作在其諧振狀態(tài)附近。超聲波電動(dòng)機(jī)兩相的等效電容不會(huì)完全一致；而串聯(lián)匹配電感的繞制也存在許多非理想因素，使得實(shí)際電感值與計(jì)算值(期望值)有差別；工作過程中，電機(jī)等效電容和匹配電感的大小也會(huì)隨環(huán)境因素發(fā)生變化。這些原因使得兩相Lc電路的工作狀態(tài)不一致，導(dǎo)致超聲波電動(dòng)機(jī)兩相端電壓幅值不一致。同時(shí)，Lc電路的作用，使電機(jī)端電壓的相位與施加于Lc電路兩端的驅(qū)動(dòng)電壓相位不一致，即存在相移。而兩相Lc電路的工作狀態(tài)不一致，在導(dǎo)致超聲波電動(dòng)機(jī)兩相端電壓幅值不一致的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致兩相相移不一致，使得電機(jī)端實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓的相位差與期望值不同。
幅值偏差，尤其是相位偏差，增加了超聲波電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)前向通道中的控制非線性，使得控制進(jìn)一步復(fù)雜化。如果是采用手動(dòng)調(diào)節(jié)，這些非線性因素也會(huì)增加調(diào)節(jié)難度。
為了避免上述問題，串聯(lián)匹配電感值的設(shè)計(jì)可以采用另一種方法。分析Lc諧振電路的幅頻、相頻特性可知，在Lc電路諧振頻率附近，其幅值和相移的變化率大。而在偏離諧振頻率較遠(yuǎn)的區(qū)域，其幅值和相移的變化率要小得多。如果設(shè)計(jì)串聯(lián)匹配電感的取值，使得LC電路工作在偏離其諧振狀態(tài)較遠(yuǎn)的區(qū)域，那么，即使兩相Lc電路的諧振頻率不同、工作狀態(tài)不一致，所導(dǎo)致的兩相端電壓幅值、相位偏差也會(huì)小得多。通常，這樣的電感值可以通過下式計(jì)算得到：
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