行波型超聲波電動(dòng)機(jī)變頻控制系統(tǒng)4
夏長(zhǎng)亮 史婷娜 陳永校浙江大學(xué) 杭州 310027）
1引言
行波型超聲波電動(dòng)機(jī)是一種新型微特電機(jī)．它是靠定子環(huán)背面所粘貼的壓電陶瓷起振而帶動(dòng)定子環(huán)一起振動(dòng)，再通過(guò)定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。根據(jù)這種電動(dòng)機(jī)的特殊工作要求，需對(duì)壓電陶瓷施加兩相電壓有效值相等、頻率相同、相位相差90。（電角度）的正弦波交流電。由壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，每一相交流電分別在壓電體上產(chǎn)生一個(gè)振動(dòng)駐波，兩駐波在時(shí)間上相差90。（電角度），空間上相差1/4波長(zhǎng)，進(jìn)而合成為一個(gè)振動(dòng)行波，帶動(dòng)定子環(huán)一起振動(dòng)。由于所用交 流電的頻率在超聲波頻段，因此被稱為超聲波電動(dòng)機(jī)。
2驅(qū)動(dòng)一控制系統(tǒng)的構(gòu)成
行波型超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一控制系統(tǒng)外部輸入為l2v的直流電，輸出為兩相交流電，對(duì)系統(tǒng)而言，須將輸入的直流電轉(zhuǎn)變成交流電，因此，可將其看成是一個(gè)逆變器。由于這種電機(jī)的一相等效電路為容性電路，可將方波信號(hào)中的高次諧波濾掉而成為正弦波，這樣，只要求系統(tǒng)能產(chǎn)生兩相電壓有效值相等、頻率相同、相位相差90度（電角度）的方波交流電即可，從而使電路得到簡(jiǎn)化。圖1為系統(tǒng)構(gòu)成框圖。
2.1功放部分
功放部分采用兩個(gè)相同的推挽放大器，如圖2a所示。由于t1、t2選用兩個(gè)同極性晶體管，所以輸入信號(hào)必須是分相信號(hào)才可加到他們各自的基極上。電路的輸出采用輸出變壓器與負(fù)載相耦合，改變輸出變壓器的匝數(shù)比可使負(fù)載成為放大器要求的****負(fù)載，以保證晶體管工作在****運(yùn)用狀態(tài)，推挽放大電路時(shí)兩個(gè)互補(bǔ)晶體管，在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)輪流導(dǎo)通半個(gè)周期，導(dǎo)通角為π。
2.2波形產(chǎn)生及鑒相回路
可以由功率放大電路輸出端e、f兩點(diǎn)的波形來(lái)分析a、b、c、d各點(diǎn)的波形。為了方便，不妨分析系統(tǒng)空載時(shí)各點(diǎn)的波形，此時(shí)e、f點(diǎn)的波形分別為兩相幅值相等、相位相差90度的方波。假設(shè)e點(diǎn)波形滯后于f點(diǎn)，且a、b點(diǎn)產(chǎn)生正電壓時(shí)，e、f點(diǎn)也為正電壓，則易得a、b:c、d各點(diǎn)的時(shí)序圖，如圖2b所示。分析各點(diǎn)波形，可以看出a、百、c、d各點(diǎn)的態(tài)序在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)完成從a到d的數(shù)字逐次左移過(guò)程：
同理，當(dāng)e點(diǎn)波形超前于f點(diǎn)，a、b、c、d各點(diǎn)的時(shí)序如圖2c所示。此時(shí)a、b、c、d各點(diǎn)的態(tài)序在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)完成從a到d的數(shù)字逐次右移過(guò)程：
要完成從a到d的數(shù)字循環(huán)左、右移過(guò)程，只需一個(gè)環(huán)形計(jì)數(shù)器即可，在這里選用了集成芯片cd40194，如圖3a所示。當(dāng)環(huán)形計(jì)數(shù)器的觸發(fā)喘輸入一個(gè)脈沖，則輸出的四個(gè)管腳qo、q1、q2、q3的狀態(tài)就一起變動(dòng)一次，且依次相差90度，即自動(dòng)地具有了鑒相的功能，輸出波形分別與a、b、c、d各點(diǎn)的波形一樣（如圖3b、c所示）。由圖中可知供給環(huán)形計(jì)數(shù)器的頻率為輸出電壓頻率的4倍。環(huán)形計(jì)數(shù)器輸出端的數(shù)字左、右移過(guò)程正好分別對(duì)應(yīng)于超聲波電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，滿足了對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的要求。
2.3可調(diào)的頻率產(chǎn)生電路．
由于對(duì)電動(dòng)機(jī)有變速要求．必須使超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)一控制系統(tǒng)具備可以改變定子環(huán)共振的功能，這可以通過(guò)改變輸入電機(jī)的兩相交流電的頻率來(lái)改變定子環(huán)共振，即變頻調(diào)逮。
可調(diào)的頻率產(chǎn)生電路是由以ne555定時(shí)器為主構(gòu)成的可調(diào)多諧振蕩器組成，如圖4a所示，其工作原理如下：
a．接通電源瞬間，電容來(lái)不及充電，此時(shí)，可將ne555集成塊看成是一個(gè)rs觸發(fā)器，r=s=o.q=i，輸出v。為高電平，另一方面，q=o,導(dǎo)致放電管截止，電容開(kāi)始充電，進(jìn)入下一狀態(tài)。
b．電容c充電，按指數(shù)規(guī)律上升，趨向ec，值．輸出電壓暫穩(wěn)在高電平。
c.當(dāng)電容上電壓vc上升到2/3ec時(shí)．使輸出電壓v。為低電平。
|
