行波型超聲波電機(jī)PWM驅(qū)動控制系統(tǒng)研究

1、行波型超聲波電機(jī)PWM 驅(qū)動控制系統(tǒng)研究夏長亮, 鄭堯, 史婷娜(天津大學(xué), 天津300072摘要:針對行波型超聲波電機(jī)的驅(qū)動特點和要求, 結(jié)合脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM , 研制出一套適合于行波型超聲波電機(jī)的PWM 驅(qū)動2控制系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式對電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。實驗結(jié)果表明, PWM 驅(qū)動2控制系統(tǒng)的性能穩(wěn)定、可靠, 是行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動的一種新的探索。關(guān)鍵詞:超聲波電動機(jī); 脈寬調(diào)制; 驅(qū)動控制系統(tǒng)中圖分類號:TM32TN787. 2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1000-100X (2001 03-0014-03Study on PWM Driving 2Controlling Sy

2、stem of T raveling W ave Type U ltrasonic MotorXIA Chang 2liang , ZHEN G yao , SHI Ting 2na(Tianjin U niversity , Tianjin 300072, China Abstract :Based on the consideration of the drive characteristic and re quirement of the traveling ultrasonic motor , a PWM driving 2controlling system is presented

3、 by using the technique of Pulse system im 2plementes closed 2loop control of the motor by adjusting the of is that the PWM driving 2controlling system can work steadily and reliably. It to wave type ultra 2sonic motor.K eyw ords :ultrasonic motor ; PWM ; driving 21前言機(jī), 效值相等、90的交流電, 利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng), 使壓

4、電陶瓷起振并帶動定子環(huán)一起振動, 再通過定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦力驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1,2。根據(jù)行波型超聲波電機(jī)自身工作需要, 其驅(qū)動2控制系統(tǒng)應(yīng)滿足下列條件:(1 需輸出兩相頻率為超聲波頻率(20kHz 以上 、相位相差90的交流電;(2 通過調(diào)節(jié)兩相輸出交流電的相位差, 使其中一相超前或滯后另一相90, 實現(xiàn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制;(3 為滿足電機(jī)調(diào)速要求, 可選擇調(diào)壓、調(diào)頻等控制方式, 且要求連續(xù)可調(diào);(4 應(yīng)采用帶有反饋檢測環(huán)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng), 以適應(yīng)因溫度變化所造成的電機(jī)諧振點的漂移。針對行波型超聲波電機(jī)的驅(qū)動特點和要求, 將脈寬調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于行波型超聲波電機(jī)中, 研制出一套PWM 驅(qū)動2控制系統(tǒng)。基金

5、項目:天津市自然科學(xué)基金資助項目(993700611 收稿日期:2001-02-05定稿日期:2001-04-06作者簡介:夏長亮(19682 , 男, 博士, 副教授, 研究方向為電機(jī)控制及電力電子技術(shù)。2驅(qū)動2控制系統(tǒng)的構(gòu)成行波型超聲波電機(jī)PWM 驅(qū)動2控制系統(tǒng)外部輸入為12V 的直流電, 輸出為兩相互差90的超聲波頻率的交流電, 圖1為系統(tǒng)構(gòu)成框圖 。圖1系統(tǒng)構(gòu)成框圖2. 1頻率可調(diào)的信號產(chǎn)生電路由于對電機(jī)有變速要求, 通過改變輸入電機(jī)的交流電的頻率來改變定子環(huán)的振動情況, 從而達(dá)到調(diào)速目的。頻率可調(diào)的信號產(chǎn)生電路是由以N E555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器組成, 其電路如圖2所示。由多諧振

6、蕩器產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波信號, 作為時鐘脈沖傳輸給環(huán)形計數(shù)器, 脈沖頻率為:f 0=0. 7R A +2(R B +R C C 多諧振蕩器輸出脈沖頻率f 0為超聲波電機(jī)所需兩相交流電頻率的4倍, 因此, 通過改變多諧振蕩器輸出脈沖的頻率, 即可改變電機(jī)的工作頻率, 實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。把多諧振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖加到環(huán)形計數(shù)器的觸發(fā)端, 則每輸入一個脈沖, 輸出的四個管腳的狀41第35卷第3期2001年6月電力電子技術(shù)Power Electronics Vol. 35, No. 3J une ,2001態(tài)就一起變動一次, 且依次相差90, 即自動地具有了鑒相的功能。取其中兩路互差90的輸出信號, 分別

7、傳輸?shù)降屯ㄓ性礊V波器, 得到同頻率的兩路互差90的正弦信號。環(huán)形計數(shù)器輸出端的數(shù)字左、右移過程正好對應(yīng)于超聲波電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)3。正弦信號經(jīng)過整流、反相, 即可得到PWM 調(diào)制信號 。圖2多諧振蕩器電路2. 2PWM 波的產(chǎn)生PWM 波產(chǎn)生電路如圖3, 。C 1兩端的鋸齒波和3、4管腳控制信號進(jìn)行比較后完成。根據(jù)TL494的特性, 在4管腳加一正弦信號, 則輸出脈沖寬度就按SPWM 波變化。通過選擇R 3 、C 1來改變作為載 波的鋸齒波的頻率, 即可改變每組SPWM 波所含脈沖個數(shù)4。圖3PWM 波產(chǎn)生電路鋸齒波與調(diào)制信號進(jìn)行脈寬調(diào)制的過程如圖4所示。兩路互差90的調(diào)制信號分別經(jīng)過脈寬調(diào)制后,

8、 即可得兩路互差90的 SPWM 波。由于逆變主回路采用兩路推挽結(jié)構(gòu), 所以SPWM 信號還必須進(jìn)行分相, 以其中一路信號為例, 經(jīng)分相后所得波形如圖5所示。圖4PWM 波調(diào)制過程2. 3, 其電路如。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最佳負(fù)載, 以保證功率管(MOSFET 工作在最佳運用狀態(tài)。圖6開關(guān)逆變主電路2. 4 反饋電路超聲波電機(jī)在工作中, 由于壓電陶瓷的諧振點會隨溫度的變化發(fā)生漂移, 因此, 應(yīng)引入反饋, 采用閉環(huán)控制, 使電機(jī)保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。因壓電效應(yīng)的作用, 在超聲波電機(jī)的定子環(huán)上, 可取一片壓電片作為傳感器, 通過檢測這

9、一壓電片上由壓電振動所產(chǎn)生的電壓, 來監(jiān)測電機(jī)的工作狀態(tài)1。反饋電路主要由反饋電壓采樣器和積分器組成, 如圖7所示。反饋信號輸出到N E555集成片的電壓控制端。由多諧振蕩器的工作原理可知, 積分器輸出的微小變化會使振蕩頻率產(chǎn)生一個很小的增量, 從而達(dá)到51行波型超聲波電機(jī)PWM 驅(qū)動控制系統(tǒng)研究自動跟蹤頻率的作用 。圖7反饋電路3實驗結(jié)果利用一臺外徑為60mm 的行波型超聲波電機(jī), 對上述PWM 驅(qū)動2控制系統(tǒng)進(jìn)行實驗驗證。電機(jī)技術(shù)指標(biāo)為:輸入電壓:12V ; 額定功率:3W ; 額定電流2. 5A ; 額定轉(zhuǎn)數(shù):90r/min ; 額定轉(zhuǎn)矩:3. 2kg. cm ; 調(diào)速度范圍:50100

10、r/min ; 使用溫度范圍:-1050。將驅(qū)動2 控制電路工作頻率調(diào)整到電機(jī)定子環(huán)的諧振頻率附近。脈寬調(diào)制后電壓波形如圖8所示。圖8脈寬調(diào)制后電壓波形行波型超聲波電機(jī)的等效電路為容性電路,PWM 驅(qū)動2控制系統(tǒng)帶上電機(jī)后電壓波形如圖9所示。圖9帶電機(jī)后電壓波形4結(jié)論為檢驗溫度變化對2控制系統(tǒng)性能, , , 完全適合于行波。:1夏長亮, 陳永校. 行波類環(huán)形超聲波電動機(jī)及其變頻控制J.電工電能新技術(shù),1994(4 :510.2陳永校. 超聲波電動機(jī)M .杭州:浙江大學(xué)出版社,1994.3夏長亮, 史婷娜, 陳永校. 行波型超聲波電動機(jī)變頻控制系統(tǒng)J.微電機(jī),1995(2 :2831.4葉治政等

11、. 通用型PWM TL494在SPWM 電源中的應(yīng)用J.電力電子技術(shù),1993,27(2 :912.(上接第3頁(1 有源鉗位電路有效地降低了開關(guān)的電壓應(yīng)力;(2 零電壓開關(guān)的實現(xiàn)明顯減少了開關(guān)損耗,提高了變換器的效率;(3 能夠得到較高的功率因數(shù)和較低的T HD 值。參考文獻(xiàn):1蔡宣三. 開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展的幾個問題J.電源世界.2000, (1 :25.2Watson R. et al. Utilization of an Clam p Circuit to Achieve S oft Switching in Flyback Converters C .IEEE PESC Rec. 1994:909916.3王聰. 軟開關(guān)功率變換器及其應(yīng)用M .北京:科學(xué)出版社,2000:111120.4Lee Y im 2Shu. et al. Adding Active Clamping and S oft Switching to Boost 2Flyback Single 2Stage Isolated Power 2Factor 2Corrected Power Supplies J .IEEE Trans. on PE. 1997,12:10171027.5Redl R. et al. A New Family of S