超聲波電機(jī)諧振驅(qū)動(dòng)電路仿真與實(shí)驗(yàn)研究
張瑞，史敬灼，劉兆魁
（河南科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，洛陽(yáng)471003）
摘要：根據(jù)超聲波電機(jī)的容性負(fù)載特性，通過(guò)串聯(lián)匹配電感，構(gòu)成由超聲波電機(jī)本體參與的lc諧振升壓的無(wú)變壓器式驅(qū)動(dòng)電路。文章提出了固定所有電路參數(shù)，只改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率、占空比和諧振周波數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。以u(píng)sr30為研究對(duì)象，對(duì)此方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并為進(jìn)一步有效地驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)提供可靠的依據(jù)。
關(guān)鍵詞：超聲波電動(dòng)機(jī)；lc諧振；驅(qū)動(dòng)電路
中圖分類(lèi)號(hào)：tm359. 9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848(2010)-03-0045-03
o引 言
目前，超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的體積較大，在一些應(yīng)用中受到很大的限制。文獻(xiàn)[1]根據(jù)電機(jī)的容性負(fù)載特性，通過(guò)簡(jiǎn)化超聲波電機(jī)的等效電路，提出了利用lc諧振的無(wú)變壓器式驅(qū)動(dòng)電路，并進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[2]研究了諧振驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法，說(shuō)明了輸出信號(hào)中各次諧波幅值和
能量比與驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比和諧振周期之間的關(guān)系。上述文獻(xiàn)的研究為超聲波電機(jī)功率諧振式驅(qū)動(dòng)電路的研究提供了較好基礎(chǔ)，但所給出的驅(qū)動(dòng)電路只能使電機(jī)工作在預(yù)先設(shè)計(jì)的確定工作點(diǎn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓頻率等可控變量均不可調(diào)節(jié)，嚴(yán)重限制了該類(lèi)電路的實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]在可調(diào)可控方面進(jìn)行了初步探索，對(duì)選擇不同的電阻、電感值以實(shí)現(xiàn)頻率離線調(diào)節(jié)進(jìn)行了分析。但由于電路中的電感是功率電感，變電感值不易在線準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，功率諧振式驅(qū)功電路的可調(diào)可控仍有待進(jìn)一步研究。
本文提出了一種新的驅(qū)動(dòng)控制方法：即在固定電感值等所有電路參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，只改變功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率、占空比和諧振波數(shù)，以使驅(qū)動(dòng)超聲波電機(jī)的正弦波等效效應(yīng)發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓可調(diào)可控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真測(cè)試并搭建硬件電路，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法的可行性，并為更好的驅(qū)動(dòng)控制超聲波電機(jī)提供可靠的依據(jù)。
1超聲波電機(jī)等效電路
超聲波電機(jī)在諧振頻率附近，可以用圖1的等效電路來(lái)表示，其中cd是壓電陶瓷的夾持電容，電機(jī)質(zhì)量效應(yīng)的等效電感，c是彈性效應(yīng)的等效電容，r。是定子內(nèi)機(jī)械損耗的等效電阻。在不改變外特性的前提下，將等效電路簡(jiǎn)化為rc并聯(lián)電路，各參數(shù)關(guān)系如下：
由于超聲波電機(jī)一般在機(jī)械諧振點(diǎn)和反諧振點(diǎn)之間運(yùn)行，電機(jī)對(duì)外呈容性，可忽略阻抗很大的串聯(lián)之路的影響，略去等效電阻r。由于mos—fet內(nèi)部有一個(gè)反并聯(lián)體二極管，在電容c電壓反相時(shí)會(huì)通過(guò)此二極管放電，使得輸出電壓只有正半波。為了防止這種情況出現(xiàn)，在電路串聯(lián)一個(gè)超快恢復(fù)二極管，使得在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)期間lc能形成完整的振蕩。使用boost升壓lc諧振電路如圖2所示。
電路工作原理為：當(dāng)開(kāi)關(guān)p導(dǎo)通時(shí)，電源向電感l(wèi)儲(chǔ)能；開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感中儲(chǔ)存的能量向電容c釋放并與其諧振，整個(gè)電路為帶初始條件的lc串聯(lián)諧振電路。boost升壓?jiǎn)卧嵘妷旱年P(guān)鍵原因有兩個(gè)：一是電感l(wèi)儲(chǔ)能后具有使電壓泵升的作用，二是電容c可將輸出電壓保持住，因此占空比的選擇對(duì)輸出電壓的幅值和有效值起關(guān)鍵作用。串聯(lián)匹配電感的選擇由式：
決定，式中a為在關(guān)斷期間諧振的整周波個(gè)數(shù)，d為占空比，t為開(kāi)關(guān)周期。
2驅(qū)動(dòng)控制方法的仿真研究
一旦匹配電感選下，lc諧振頻率就固定不變，通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)mosfet昀驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率來(lái)改變諧振波形的占空比，不連續(xù)正弦波的等效效應(yīng)發(fā)生改變，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制目的。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率廠與電機(jī)諧振頻率關(guān)系見(jiàn)圖3，并可表示為：
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