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(duì)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(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)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：
采用上述方法設(shè)計(jì)串聯(lián)匹配電感值，將使得Lc電路工作在偏離其諧振狀態(tài)的工作區(qū)域。由此帶來的一個(gè)問題是，Lc電路的升壓作用將明顯減弱。
不論采用上述兩種方法中的哪一種來設(shè)計(jì)串聯(lián)匹配電感，都不足以保證超聲波電動(dòng)機(jī)端電壓達(dá)到需要的幅值。這一方面是由于電機(jī)、電感的分布參數(shù)使得Lc電路的品質(zhì)因數(shù)不會(huì)很高，Lc諧振升壓作用有限；另一方面是由于超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸入電壓通常為直流低壓，例如本文所述電路的輸入電源電壓為12 V(Dc)，以要求驅(qū)動(dòng)電壓峰峰值600 V的超聲波電動(dòng)機(jī)為例，其升壓比要達(dá)到50。由于上述兩方面的原因，僅由Lc諧振電路升壓，通常不能保證輸出足夠幅值的驅(qū)動(dòng)電壓。
因此，本文電路設(shè)計(jì)中加入了Boost升壓電路，一方面，彌補(bǔ)Lc電路升壓的不足，保證超聲波電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。另一方面，可以實(shí)現(xiàn)幅值調(diào)節(jié)。圖1的驅(qū)動(dòng)電路中包含兩個(gè)Boost升壓電路單元，分別供給A、B兩相驅(qū)動(dòng)電壓，以提高控制靈活性。
B00st升壓電路單元的原理圖如圖2所示。由通用PwM發(fā)生器芯片TL494給出頻率固定、脈寬可調(diào)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)專用MOsFET驅(qū)動(dòng)芯片IH4427放大，驅(qū)動(dòng)Boost電路中的M0sFET工作，將輸入電源電壓比提升為Vccp對(duì)于小功率應(yīng)用場(chǎng)合，由于MOSF砸T開關(guān)電壓與電流均較小，MOSFET可以直接由TL494輸出驅(qū)動(dòng)，或用三極管推挽驅(qū)動(dòng)，不需要專門的驅(qū)動(dòng)芯片。
B00st升壓電路中，PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈寬設(shè)置為電位器手動(dòng)調(diào)節(jié)(圖2中電阻R1)，這樣可以使該電路適合于不同超聲波電動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究。如果超聲波電動(dòng)機(jī)固定，B00st電路輸出電壓幅值也就可以確定，可以由BO0st電路輸出端引回反饋到T1494脈寬調(diào)節(jié)比較端，構(gòu)成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。
Boost升壓龜路的輸出電壓Vccp做為直流母線電壓，直接作用于Lc諧振電路中的MOsFET(參見圖5)，用來提高電機(jī)端電壓值。電路其它部分的電源仍為輸入電源電壓Vcc，與Vccp無關(guān)。
對(duì)于兩相行波超聲波電動(dòng)機(jī)，圖1中的PgWM發(fā)生單元產(chǎn)生兩路互差90。的PwM信號(hào)，經(jīng)相位調(diào)節(jié)、分頻等環(huán)節(jié)，生成兩相四路PwM控制信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)放大環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件動(dòng)作。
圖3給出了驅(qū)動(dòng)電路中PwM發(fā)生單元的原理圖，由T1494實(shí)現(xiàn)。TL494的工作頻率可由下式近似確定：
圖3中，R11為可調(diào)電位器。由式(3)可知，調(diào)節(jié)R11可使T1494輸出適當(dāng)頻率的PwM信號(hào)。圖3電路中，TL494輸出信號(hào)的脈寬設(shè)定為****值。
兩相超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要兩相四路互差90。的PwM控制信號(hào)，上述圖3電路輸出的是兩路互差180。的PwM信號(hào)，這兩路信號(hào)需要分別通過二分頻電路來生成兩相四路互差90。的PWM信號(hào)。
二分頻電路是一種基本數(shù)字電路，通常由D觸發(fā)器構(gòu)成。圖4給出了一相(A相)PWM信號(hào)的二分頻電路原理圖。圖中芯片CD4013為雙上升沿D觸發(fā)器.
圖5給出，二分頻電路的時(shí)序圖。由圖5可以看出，二分頻電路輸出信號(hào)的占空比固定為百分之50，頻率為TM94輸出信號(hào)頻率的1／2。調(diào)節(jié)圖3中的R11,就可以調(diào)節(jié)PWM刪控制信號(hào)的頻率。對(duì)于不同的超聲波電動(dòng)機(jī)，可以選擇合適的R、c(圖3中的R11,R12和C7)數(shù)值使頻率可調(diào)范圍與超聲波電動(dòng)機(jī)的需求相適應(yīng)。
如果B相PwM信號(hào)的二分頻電路同樣采用圖4所示結(jié)構(gòu)，則A、B兩相二分頻電路互相獨(dú)立。考慮電路卜電開始工作時(shí)刻的電路狀態(tài)。此時(shí)，兩個(gè)D觸發(fā)器的輸出狀態(tài)都不確定，輸出Q可能是高電平，也可能是低電平。而且，此時(shí)圖3的PwM發(fā)生單元中，T1494給出的兩路PwM控制信號(hào)的先后次序也不確定，可能是PwMl在先，也可能是PwM2在先。分析圖5可知，由此將導(dǎo)致兩相分頻電路輸出的兩相PwM控制信號(hào)的相位關(guān)系不確定。一次上電得到的是PwMAl超前PwMBl信號(hào)90。(如圖5所示)，下一次上電就可能是PWMAl滯后PWMBl信號(hào)90。。
PwMAl與PwMBl信號(hào)之間的超前、滯后關(guān)系，對(duì)應(yīng)于電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。它們之間的相位關(guān)系不確定，也就意味著每次驅(qū)動(dòng)電路上電后，電機(jī)的轉(zhuǎn)向不確定。這樣的驅(qū)動(dòng)電路是沒有實(shí)用價(jià)值的。為解決這一問題，必須在4、詹兩相二分頻電路之間建立聯(lián)系，形成約束關(guān)系。
圖6給出了月相PwM信號(hào)的分頻電路原理圖。圖中分頻D觸發(fā)器的輸入D信號(hào)不是來自于其反向輸出，而是來自于A相分頻D觸發(fā)器的輸出信號(hào)PwMAl、PgMA2。當(dāng)PwMAl作為B相分頻D觸發(fā)器的輸入D信號(hào)，將保證PwMAl超前Pg，MBl信號(hào)，如圖7所示，對(duì)應(yīng)于電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)PWMA2作為B相的D信號(hào)，則使PwMAl滯后PwMBl信號(hào)，對(duì)應(yīng)于電機(jī)反轉(zhuǎn)。Pwml和PwM42之間的選擇，亦即電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，由圖6的撥碼開關(guān)S2實(shí)現(xiàn)。
前面已經(jīng)分析了PwM發(fā)生單元和分頻電路。由上述分析可知，分頻電路給出的兩相PwM信號(hào)之間的相位差可以是+90。或-90。，不能任意調(diào)節(jié)：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)相位差的調(diào)節(jié)，在PwM發(fā)生單元與分頻電路之間，加入了如圖所示的調(diào)相環(huán)節(jié)。圖8為A相的調(diào)相電路，B相與之完全相同：
相位調(diào)節(jié)是通過Rc電路實(shí)現(xiàn)的。圖8中，R15,R16與C8構(gòu)成Rc充電回路，當(dāng)PwM發(fā)生單元的輸出信號(hào)PwMl為高電平時(shí)，對(duì)C8充電，PwMll信號(hào)幅值逐漸上升。當(dāng)PwMl躍變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，C8通過二極管D3快速放電，PwMll信號(hào)幅值迅速下降。這樣反復(fù)進(jìn)行充放
電，得到的PwMll信號(hào)為如圖9所示的準(zhǔn)鋸齒波。該信號(hào)連接到圖4的分頻電路，作為D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入。因?yàn)橹挥挟?dāng)輸入信號(hào)幅值高于某一特定值時(shí)，才會(huì)被認(rèn)為是高電平，所以圖8電路的作用就是將PwMI信號(hào)的上升沿后移了一定角度。調(diào)節(jié)電位器R16，可以改變電容充電速率，亦即可以調(diào)節(jié)相位。
分頻電路給出的兩相四路PwM控制信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大環(huán)節(jié)驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件動(dòng)作，輸出適當(dāng)?shù)碾妷候?qū)動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。
圖10給出了兩相Lc驅(qū)動(dòng)電路的原理圖。Lc諧振電路是一種基本的電路形式，其工作原理不再詳述。圖10中MOSFET的驅(qū)動(dòng)使用了專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
上述設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，圖11給出了超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)測(cè)波形。使用該電路可以對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的開環(huán)、閉環(huán)控制進(jìn)行研究。實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方便，性能可靠。
3結(jié)語
本文針對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的需求，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(chǎng)合。本文給出了電路結(jié)構(gòu)，分析了工作原理與設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，效果良好。
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