超聲波電機諧振驅(qū)動電路仿真與實驗研究
張瑞，史敬灼，劉兆魁
（河南科技大學電子信息工程學院，洛陽471003）
摘要：根據(jù)超聲波電機的容性負載特性，通過串聯(lián)匹配電感，構(gòu)成由超聲波電機本體參與的lc諧振升壓的無變壓器式驅(qū)動電路。文章提出了固定所有電路參數(shù)，只改變驅(qū)動信號頻率、占空比和諧振周波數(shù)的方法，實現(xiàn)對超聲波電機的驅(qū)動控制。以usr30為研究對象，對此方法進行實驗驗證，并為進一步有效地驅(qū)動控制電機提供可靠的依據(jù)。
關(guān)鍵詞：超聲波電動機；lc諧振；驅(qū)動電路
中圖分類號：tm359. 9 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)-03-0045-03
o引 言
目前，超聲波電機驅(qū)動控制器的體積較大，在一些應用中受到很大的限制。文獻[1]根據(jù)電機的容性負載特性，通過簡化超聲波電機的等效電路，提出了利用lc諧振的無變壓器式驅(qū)動電路，并進行了仿真分析。文獻[2]研究了諧振驅(qū)動電路的設計方法，說明了輸出信號中各次諧波幅值和
能量比與驅(qū)動信號占空比和諧振周期之間的關(guān)系。上述文獻的研究為超聲波電機功率諧振式驅(qū)動電路的研究提供了較好基礎，但所給出的驅(qū)動電路只能使電機工作在預先設計的確定工作點，電機驅(qū)動電壓頻率等可控變量均不可調(diào)節(jié)，嚴重限制了該類電路的實際應用。文獻[3]在可調(diào)可控方面進行了初步探索，對選擇不同的電阻、電感值以實現(xiàn)頻率離線調(diào)節(jié)進行了分析。但由于電路中的電感是功率電感，變電感值不易在線準確實現(xiàn)，功率諧振式驅(qū)功電路的可調(diào)可控仍有待進一步研究。
本文提出了一種新的驅(qū)動控制方法：即在固定電感值等所有電路參數(shù)不變的基礎上，只改變功率開關(guān)驅(qū)動信號頻率、占空比和諧振波數(shù)，以使驅(qū)動超聲波電機的正弦波等效效應發(fā)生改變，從而實現(xiàn)電機驅(qū)動電壓可調(diào)可控，進而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制。在此基礎上進行仿真測試并搭建硬件電路，通過實驗驗證了這種方法的可行性，并為更好的驅(qū)動控制超聲波電機提供可靠的依據(jù)。
1超聲波電機等效電路
超聲波電機在諧振頻率附近，可以用圖1的等效電路來表示，其中cd是壓電陶瓷的夾持電容，電機質(zhì)量效應的等效電感，c是彈性效應的等效電容，r。是定子內(nèi)機械損耗的等效電阻。在不改變外特性的前提下，將等效電路簡化為rc并聯(lián)電路，各參數(shù)關(guān)系如下：
由于超聲波電機一般在機械諧振點和反諧振點之間運行，電機對外呈容性，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)部有一個反并聯(lián)體二極管，在電容c電壓反相時會通過此二極管放電，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)一個超快恢復二極管，使得在開關(guān)斷開期間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：當開關(guān)p導通時，電源向電感l(wèi)儲能；開關(guān)斷開時，電感中儲存的能量向電容c釋放并與其諧振，整個電路為帶初始條件的lc串聯(lián)諧振電路。boost升壓單元提升電壓的關(guān)鍵原因有兩個：一是電感l(wèi)儲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數(shù)，d為占空比，t為開關(guān)周期。
2驅(qū)動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，通過調(diào)整驅(qū)動mosfet昀驅(qū)動信號頻率來改變諧振波形的占空比，不連續(xù)正弦波的等效效應發(fā)生改變，從而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，達到控制目的。開關(guān)驅(qū)動信號頻率廠與電機諧振頻率關(guān)系見圖3，并可表示為：
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