超聲電動(dòng)機(jī)（USM）是近幾年研制開(kāi)發(fā)的一種新型微驅(qū)動(dòng)器。USM突破了傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的電磁耦合概念，而是依靠壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。USM與傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)比較主要特點(diǎn)是體積小、重量輕、不受磁場(chǎng)影響、低速大扭矩[1]。因此，USM在微型機(jī)械、精密加工、汽車(chē)和機(jī)電一體化等領(lǐng)域中有著良好的應(yīng)用前景。由于USM為容性負(fù)載，如何解決USM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電源問(wèn)題，已引起從事USM研究與應(yīng)用的科技工作者的廣泛關(guān)注[2][3]。本文針對(duì)行波超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，采用了先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，以推挽式逆變器作為主電路，輔以脈寬調(diào)制（PWM）控制電路和MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)計(jì)了一種新型USM驅(qū)動(dòng)電源[4]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電源既可滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同頻同幅、相位差90°的要求，且可自動(dòng)跟蹤USM的諧振頻率，具有良好的柔性控制性能。

　　1 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)方案

　　行波USM不同于傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)，為容性負(fù)載，負(fù)載電壓不能突變。為了使行波USM定子彈性產(chǎn)生周向行波，在金屬圓板一側(cè)周向部分膠結(jié)空間差1/4波長(zhǎng)的兩組壓電陶瓷陣列。當(dāng)兩組相位差90°的交流信號(hào)分別加在兩組陶瓷陣列時(shí)，可在彈性體周?chē)纬梢苿?dòng)彈性行波。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理如圖1所示。其主要由方波發(fā)生電路，逆變主電路，頻率自動(dòng)跟蹤電路，驅(qū)動(dòng)電路和功率放大電路等部分組成。

圖1 行波USM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理框圖

　　2 驅(qū)動(dòng)電源組成及原理

　　由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理可知，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)應(yīng)使壓電振子環(huán)產(chǎn)生單向行波，且為同頻率同幅度互差90°的方波信號(hào)，故需要驅(qū)動(dòng)電源有兩路輸出，電源的頻率應(yīng)與USM的固有頻率相一致。USM的固有頻率及起振電壓的大小則由其幾何尺寸決定。根據(jù)電源設(shè)計(jì)要求：輸入電壓可為220V、頻率為50Hz的市電，或者為15V的直流電壓；輸出電壓為240V的方波信號(hào)、頻率可調(diào)節(jié)；工作頻率為50kHz；功率為100W；適應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作環(huán)境和攜帶方便。本文設(shè)計(jì)的USM的驅(qū)動(dòng)電源，如圖2所示。主要由控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、逆變主電路、反饋電路和保護(hù)電路等部分組成。

圖2 驅(qū)動(dòng)電源組成框圖

　　2．1 PWM控制電路

　　在控制電路規(guī)定的周期（頻率）范圍內(nèi)，將直流電壓調(diào)制為等幅不同脈寬的系列交流輸出脈沖信號(hào)。本文PWM控制電路以?xún)善擅}寬調(diào)制芯片SG3525為核心，輔以部分外圍電路構(gòu)成，如圖3所示。所需要的兩路信號(hào)可控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并保持可控的相位關(guān)系。當(dāng)同步輸入端沒(méi)有外部脈沖時(shí)，通過(guò)CT、RT端的外接電阻、電容可與外部電路構(gòu)成振蕩電路，電源的輸出頻率為

f= （1）

　　式中：C1、R4、R5為振蕩器外接電容與電阻。

圖3 控制電路原理

　　電路中CT端的放電時(shí)間以及死區(qū)時(shí)間由R5和C1決定。當(dāng)同步輸入端外接輸入脈沖時(shí)，整個(gè)振蕩電路完全受此脈沖控制。因此，振蕩輸出頻率與該脈沖則保持一致。本電源將單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的方波信號(hào)作為外接輸入脈沖加在同步輸入端，這樣電源輸出頻率可由方波信號(hào)控制，以實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤。

　　2．2 逆變主電路

　　逆變電路采用推挽式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用MOSFET作為開(kāi)關(guān)器件，采用復(fù)合式緩沖電路限制電壓和電流變化率，如圖4所示。

圖4 逆變主電路

　　在PWM控制電路的控制下開(kāi)關(guān)器件（S1和S2）交替工作，在輸出端得到交變電壓。扼流線圈L1可防止用占空比D控制時(shí)S1、S2的同時(shí)關(guān)斷，有效地提高了電源的穩(wěn)定性。

　　關(guān)于主電路的效率分析：

　　忽略MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗，并設(shè)定D=100％，則開(kāi)關(guān)電源的輸入功率PI為

PI=UIII （2）

　　式中：UI、II分別為開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓和電流。

　　輸出功率PO為

PO=UOIO （3）

　　式中：UO、IO分別為開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓和電流。

　　又變壓器的變比n為

n≈ (4)

　　式中：UCES為MOSFT的飽和壓降。

　　則推挽電路的效率η為

η===≈ (5)

　　如果忽略開(kāi)關(guān)的通態(tài)損耗，則總開(kāi)關(guān)損耗Δp為

Δp=pr＋pf==(UC＋2UCES)IC (6)

　　式中：UC為MOSFET的漏極電壓；

　　tr、tf為脈沖的上升和下降時(shí)間。

　　本文選擇tr、tf較小、開(kāi)關(guān)性能較好的MOSFET管，并根據(jù)USM的具體要求取D=40％，主電路的效率為75％。
 

      2．3 過(guò)電流保護(hù)電路

　　過(guò)電流保護(hù)電路主要任務(wù)是檢測(cè)輸出電流的變化，并將其反饋到SG3525的控制端，在電流較大時(shí)可靠關(guān)斷系統(tǒng)，以避免器件和電動(dòng)機(jī)的損壞。電路原理如圖5所示。

圖5 過(guò)流保護(hù)電路原理

　　電路中電阻R1、R2對(duì)輸出進(jìn)行采樣，當(dāng)電路中電流增大時(shí)，采樣電壓U1隨之增大，該信號(hào)反饋到3525的輸入端，及時(shí)調(diào)整輸出電壓UF。輸入電壓U1為正時(shí)，輸出電壓UF為

　　(6)

　　輸入電壓U1為負(fù)時(shí)，輸出電壓UF為

　　(7)

　　適當(dāng)選擇各電阻值，過(guò)電流時(shí)可以可靠地關(guān)斷控制電路。

　　3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)語(yǔ)

　　利用本驅(qū)動(dòng)電源對(duì)一臺(tái)行波USM樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。電源頻率可由信號(hào)控制,其輸出電壓為240V，峰值電壓為248.5V，紋波抑制比為16.51dB。SG3525控制端和電源輸出的電壓波形，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電源工作可靠，跟蹤頻率正確，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

(a) SG3525控制端輸出波形

(b) 電源輸出電壓波形

圖6 電源輸出波形

　　1）由于本系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，電源輸入的方波信號(hào)控制方便，故電源的輸出頻率可自動(dòng)跟蹤USM的諧振頻率。

　　2）采用8254檢測(cè)相位差，分辨率達(dá)0.1μs，提高了電源的工作精度。

　　3）電源可實(shí)現(xiàn)欠壓鎖定和軟啟動(dòng)，具有較好的防沖擊作用也可用于驅(qū)動(dòng)其它大功率的USM。