基于功率放大器的超聲波電機驅動電源

1.引言

隨著超聲電機的理論研究和工業應用的發展，對驅動電源提出了小型化、通用化、智能化和集成化地要求。作為交流電源，國內外市場上的種類繁多。它們大多都應用在電壓比較大或頻率比較高的場合[1]。常用的驅動超聲電機的電源一般由四部分組成：信號發生電路、移相電路、功率放大電路和變壓器[2]。現在變頻調速已經成為一種主流的電機調速方案，許多驅動電路均選擇采用該項技術。本設計中，由于在信號發生電路中巧妙地選擇了精密函數發生器ICL8038芯片，通過調節ICL8038的輸入電壓的大小，可實現驅動電路的調頻調幅，進而實現輸出信號的調幅調頻，達到改變電機轉速的目的。本設計無需另加變頻電路和調幅電路，節省了硬件空間。同時，本設計驅動電源采用兩相輸出，原理上是一模一樣的，由于分別可以調相，從而在電機的兩相輸入時，輸入信號有一個相位差，通過調節相位差，可以調節電機的轉速。

本設計占用最小的硬件空間，采用純模擬器件，同時能夠調頻調幅和調相，是一款較為實用的超聲電機驅動電源。

2.超聲電機驅動電源總體設計

2.1 系統主要功能

圖1 總體硬件框架圖

圖2 信號發生電路

圖3 移相電路

圖4 功率放大電路

圖5 輸入頻率為30kHz，相移為82°

圖6 輸入頻率為40kHz，相移為63.4°

基于功率放大器的超聲波電機驅動電源由四部分組成，信號發生電路、移相電路、功率放大電路和變壓器，要求能夠實現調幅、調頻和調相的功能。信號發生電路產生頻率可調的超聲頻率正弦波信號，經過分頻相移電路產生有相位差的兩相信號，作為功率放大電路的控制信號。功放電路完成兩個功能：功率放大和負載匹配，功率放大將控制信號放大。變壓器把功放輸出信號升壓，以達到滿足驅動電機的電壓要求。

2.2 硬件設計思路

通過方案的比較和設計思路的分析以及元件的選擇，已基本確定系統的基本構成，總體硬件框架圖如圖1所示。

3.系統電路分析

本設計電路包括了四個重要組成部分：信號發生電路、移相電路、功率放大電路和變壓器升壓，每部分在電路中都承擔著不同的任務。信號發生電路要產生頻率為40kHz，且幅值可調的正弦波波形；移相電路實現嚴格的0°～180°移相功能；功率放大電路現實放大輸入電流，進而放大功率的功能，要求能輸出電壓為24V左右，電流1到2安培，功率為40W左右的輸出信號。由于變壓器升壓有現成模塊，故在這里不做深究。

3.1 信號發生電路分析

本設計中采用的信號發生電路是信號發生器ICL8038典型的應用電路[3]，如圖2所示。

由圖2可以看出ICL8038各端口外接電路的情況。8引腳接頻率調節電源，引腳4、5、9都是經過一個電阻接+Vcc，這里的Vcc取10V。引腳10和12分別經過一個電容和電阻接-Vcc，Vcc也是取10V。而引腳6、11則直接分別引到正Vcc和負Vcc。經過計算，R11、R12、R13均取10k，R14取82k，而電容C3則取3300pF。由于信號發生電路輸出的電流較小，所以R15一般應取幾十千歐姆左右。

輸出信號的調幅通過改變8腳的電壓輸入大小實現，輸出信號的調頻則由R11、R12、C3以及引腳8的電位決定。

3.2 移相電路理論分析

本設計采用的移相電路見圖3，通過理論計算可證明，它能實現嚴格的移相功能[4]。

由圖3可知：

由(5)式可知輸出幅頻特性恒等于1，即電路的增益為1，波形的幅值沒有變化，符合移相的目的。由(6)式觀察相頻特性，可知改變相位差，可以通過改變輸入頻率w，可變電阻R和電容C來實現，而由于電容一般是固定的，所以在這里我們主要通過w和R來改變相位差。

3.3 功率放大電路原理分析

本設計選用準互補對稱功率放大電路，如圖4所示。

由圖4可見，整個功率放大電路由兩個電阻，四個二極管，兩個PNP，兩個NPN和一個電容組成[5]。

Q1，Q2，Q3，Q4：上述互補對稱放大電路要求一對特性一致的NPN和PNP型功率輸出管。在輸出功率不太大時，較容易適配管子，但在要求輸出功率較大時，就難以配對。利用復合管結構，可以消除兩邊的不對稱性，同時還能增大放大倍數。在這里，Q1和Q2，Q3和Q4分別組成復合管。

另外，根據復合管T1，T2各級電流的流向和近似關系，可以得出復合管連接原則和等效管型判別方法：(1)按T1，T2管電流前后一致的規律連接；(2)復合后的等效管型取決于前一只管子T1的管型；(3)復合后等效管的總電流放大系數B=B1*B2。

4.實驗與結果分析

實驗結果見圖5和圖6。由實驗結果可知，驅動電源的輸出可實現調相、調幅和調頻，符合本設計用于驅動超聲電機的要求，達到預期目的。

從以上電路分析可得知通過改變可變電阻，可實現移相的功能，同時這也是本設計移相的主要方法。圖6中，波形的周期為25us。設為T。右下角的數據即為A相超前（滯后）B相的時間，為方便表達，設為t。故移相的相位為φ =t*2Π/T 。實驗結果經與理論計算對比，有一定誤差，但在控制范圍內。

5.結論

本文提出的基于功率放大器的超聲波電機驅動電源。函數發生器產生頻率為40kHz左右的正弦波信號作為輸入信號，通過改變函數發生器的輸入電壓可改變產生波形的頻率和幅值，移相電路采用了RC移相電路中典型的0～90°移相，在電路能實現調相的目的。采用了功率三極管TIP41C及其對管，放大了電流，從而達到放大功率的目的。

系統的變頻調節是通過改變輸入信號的頻率實現，通過調節輸入信號的大小可以調幅。由于本系統有兩路輸出，改變兩個移相電路的可變電阻，可實現輸出的相位差的變化，從而實現對電機的調相調節轉速的目的。

本設計不僅可對正弦波實現低高頻移相和放大的功能，對方波，三角波等波形亦可實現放大，這是本驅動電源最大的優點，但對正弦波外的波形不能實現移相。

[1]曹操軍,陳潤恩,王桂英.變交流術基礎及應用[M].北京:中國水利水電出版社,2002,1-178.

[2]童詩白,華成英.模擬電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2001,1-208.

[3]吳運昌.模擬電子線路基礎[M].廣州:華南理工大學出版社,1998,1-236.

[4]康華光,陳大欽,張林.電子技術基礎模擬部分(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2005,1-500.

[5]謝沅清.電子電路基礎[M].北京:人民郵電出版社,1999,1-200.