基于閉環磁通門技術的超聲波電動機電流測試系統

王 璐，楊 明，莊曉奇

(上海交通大學，上海200240)

0 引 言

超聲波電動機具有體積小、重量輕、響應時間快、結構緊湊多樣、力矩密度大、不受電磁干擾影響、適合間歇運行等優勢。與傳統電磁電機相比，能量轉換效率低，限制了它的應用［1］。文獻［2］提出通過調壓和模糊控制算法，來提高其能量轉換效率，并通過實驗證明了其有效性［2］。文獻［3］專門針對超聲波電動機運行過程中的發熱問題進行研究，提出了一套完整的基于溫度反饋的閉環調頻控制算法，控制了溫升，進而提高能量轉化效率。超聲波電動機的驅動電流是與其輸出功率密切相關的量，無論是從控制算法、溫升或者其它角度去研究能量轉化效率，最終都是與超聲波電動機驅動電流密切相關的。但是專門針對不同驅動和運行條件下，驅動電流特性的研究很少，無法為研究進一步提高超聲波電動機的輸出效率、輸出力矩等提供參考。為研究這一問題，首先需要搭建一套完整的、靈活性高、精度高、響應快、適合長時間測試的專門針對超聲波電動機的電流測試系統。然而在公開發表的文獻中，專門研究超聲波電動機電流測試系統的較少，僅在文獻［5］里有提及，用阻值很小的無感電阻將電流信號轉換為電壓信號。這種方法結構簡單、成本低、搭建速度快，但是需要將電阻串接到驅動電路中，會對驅動電路本身阻抗特性有影響，導致驅動電流的測試精度較低。因為沒有隔離，功率電路中的高電壓可能通過反饋電路進入弱電的控制電路中，危及到控制系統的安全［6］。同時電阻本身消耗功率，發熱嚴重，不能進行長時間測試。為了解決上述問題，搭建應用范圍廣、靈活性高、精度高、適宜長時間測試的系統，本文研制了基于閉環磁通門技術的超聲波電動機電流測試系統。

1 超聲波電動機電流特性與閉環磁通門測量電流原理

1.1 超聲波電動機電流特性

行波旋轉型超聲波電動機是應用最廣的一類超聲波電動機，其等效電路模型如圖1所示。其中:Rd表示壓電陶瓷介電損耗，電容Cd為存儲電荷能力，Lm1和Cm1表示定子存儲動能和彈性勢能的能力，Rm1表示定子振動的機械損耗。CF代表摩擦層存儲彈性勢能的能力，RF為摩擦損耗。Capplied為預壓力施加機構的存儲彈性勢能的能力，RL為負載［7］。

圖1 行波旋轉型超聲波電動機等效電路模型

超聲波電動機本身是一個強耦合的系統，負載、溫度(與能量轉化效率，輸出力矩等密切相關)等的變化都會引起電機等效電路模型參數的變化［4］。這些變化在驅動電壓波形不變的條件下，都會引起驅動電流的變化。因此通過電流的精確測量，可以間接研究超聲波電動機的能量轉化效率、輸出力矩等問題。

1.2 閉環磁通門測量電流原理

閉環磁通門測量電流具有測量精度高、動態特性好等特點，本研究采用閉環磁通門技術的傳感器來檢測電流，通過檢測被測電流產生的磁場來間接檢測電流。磁通門現象是電磁感應現象的一種，與變壓器很相似，但是磁通門傳感器和傳統變壓器的用途和結構不同。變壓器鐵心所處的磁場除了激磁磁場以外，還疊加了環境磁場，考慮環境磁場施加在鐵心軸向的分量時，變壓器產生的感應電動勢:

式中:e為感應電動勢;μ為鐵心的磁導率;S為橫截面積;H為激磁磁場強度;W2為感應線圈匝數;Hs為鐵心飽和磁場強度;Hm為激勵磁場強度幅值。當比Hs和Hm小很多時，它對μ(t)的影響將非常小。μ(t)的傅里葉級數如下:

因此可得下式:

所謂閉環磁通門系統是指磁通門電路獲取感應電動勢中幅值相對較大的二次諧波分量，并經過信號調理電路變成模擬信號，然后將該模擬信號連接至相應的反饋線圈，產生變化的反饋電流，建立反饋磁場，與被測環境磁場代數相減，使變壓器鐵心工作在零磁通狀態，兩者達到平衡。閉環磁通門系統可以大大提高系統帶寬和響應時間。

本系統的傳感器設計為基于閉環磁通門技術的LEM電流傳感器。主要優點為非接觸測量、精度高、響應快，受共模干擾及溫漂影響小，尺寸小。該傳感器將磁通門和閉環反饋控制模塊集成到一起，工作原理示意圖如圖2所示。

圖2 LEM閉環磁通門傳感器工作原理

圖2 中，IP為被測電流，U(t)為輸出，當原級被測電流通過時，產生磁場，聚磁環將其聚集到自飽和電感上，閉環模塊反饋線圈電流Is，產生的磁場用來補償原級產生的磁場，迅速使磁通門輸出電路檢測到零磁通，此時的Is值就與原級電流成比例，后級的電路將其轉化為電壓信號輸出［9－10］。

2 測試系統設計

超聲波電動機特殊的運動機理要求驅動電路必須在超聲頻段內提供兩相具有一定相位差的同頻、等幅的正弦交流電，本研究所用驅動電路為全橋型DC－AC逆變器。本研究僅測試其中一相驅動信號的電流。

測試平臺的硬件部分有超聲波電動機驅動電路、電流測試電路板、實時控制器及計算機;軟件部分需要控制整個測試系統運行，同時在計算機上顯示、保存一些測試結果。控制平臺選用實驗室美國國家儀器公司的實時控制器Compact RIO，編程語言為新一代圖形化編程語言LabVIEW。整個系統的結構框圖如圖3所示。

圖3 超聲波電動機電流測試系統

2.1 硬件設計

超聲波電動機的驅動頻率一般在20～100 kHz之間［1］，本研究所用的60型行波旋轉型超聲波電機的驅動頻率為42 kHz左右，電壓峰－峰值500 V左右。頻率高、驅動功率大，同時要求測試精度要高。

根據具體的性能指標選擇型號，一般要考慮線性范圍與量程、靈敏度、精度、頻率響應特性等因素［10］。其中LEM公司的電流傳感器CAS 6－NP的線性度好，線性度誤差僅為0.1%，響應時間為微秒級，帶寬為300 kHz，本研究使用的超聲波電動機驅動頻率為41.2 kHz左右，滿足要求。綜上所述，本測試系統的電流傳感器最終選為LEM公司非接觸式采用閉環磁通門技術的CAS 6－NP。

除了包括閉環磁通門，傳感器內部還有信號調理電路，包括初步的放大和加偏置。當被測電流為0時，傳感器輸出為2.5 V;當被測電流大于0時，輸出大于2.5 V;當被測電流小于0時，輸出小于2.5 V，因此，傳感器的輸出為2.5 V的直流偏置疊加脈動信號。最終傳感器的輸出阻抗是2 Ω，帶負載能力強。

傳感器信號處理電路首先是放大電路，其中放大芯片選用精密儀表運算放大器AD620。AD620精度高，具有高輸入阻抗、高共模抑制比等特點，可以放大直流脈動信號，被測信號中有較大的直流偏置，放大器易于飽和，而真正希望放大的是脈動信號。因此在運放的反相輸入端，加入可調節的直流電平，抵消被測信號中的直流偏置，僅放大兩者的差值。最終放大倍數調節為31.8倍，直流偏置為2.37 V。CAS 6－NP的靈敏度為104 mV/A，因此整個測試系統的靈敏度為3.307 V/A，疊加一個(2.5－2.37)×31.8=4.134 V 的直流偏置。具體電路如圖4所示。

圖4 傳感器信號調理電路

2.2 軟件設計

軟件部分是基于實時控制器Compact RIO的新一代圖形化編程語言LabVIEW。實現的功能主要是電流信號的采集、傳輸、顯示等。

CompactRIO系統構架主要包括嵌入式實時控制器(NI Crio－9014)、可重配置 FPGA(NI Crio－9112)、及模塊化 I/O(NI9201)CompactRIO的 RIO

(FPGA)核心內置數據傳輸機制，負責把數據傳到嵌入式處理器，以進行實時分析、數據處理、數據記錄或與聯網主機通信。所有I/O模塊都包含內置的接口、信號調理、轉換電路(如ADC或DAC)等。

電流信號的采集通過LabVIEW編程控制FPGA和AI模塊NI 9201來實現。

然后傳輸到實時控制器進行顯示、分析。程序框圖如圖5所示。

圖5 測試系統LabVIEW程序框圖

3 系統測試

3.1 實驗裝置

整個測試系統實物圖如圖6所示，包括電機驅動電路和Compact RIO控制器(已裝箱)，電流檢測電路板，波形監測示波器，計算機及商用直徑60 mm的行波旋轉型超聲波電動機。

圖6 測試系統實物圖

3.2 實驗及結果分析

試驗電機為直徑60 mm的行波旋轉型超聲波電動機，固定兩相驅動信號的幅值、相位差，調節驅動頻率，記錄電流檢測電路輸出波形的頻率及峰－峰值。分別調節驅動頻率為42 kHz和43.4 kHz，電流測試結果如圖7所示。

圖7 系統測試結果

當驅動頻率為42 kHz時，電流檢測電路輸出信號頻率為42 kHz，峰 － 峰值為3.84 V，CAS 6－NP的靈敏度為104 mV/A，經計算，峰值電流為0.58 A。

當驅動頻率為43.4 kHz時，電流檢測電路輸出信號頻率為43.4 kHz，峰－峰值為4.48 V，CAS 6 －NP的靈敏度為104 mV/A，經計算，峰值電流為0.68 A。

實驗結果表明，電流檢測電路輸出信號的頻率與驅動頻率一致。不同驅動頻率時，單相的驅動電流會跟隨頻率有明顯變化。

當驅動頻率從42～43.2 kHz變化，步長為100 Hz，電流測試波形的峰峰值如圖8所示。

圖8 驅動頻率變化時電流測試波形峰峰值

從圖8可以發現，驅動頻率在接近42.7 kHz時，驅動電流較大，驅動電路處于諧振狀態;當驅動頻率在接近42.9 kHz，驅動電流較小，驅動電路處于反諧振狀態。由圖7和圖8可以看出，驅動電流的檢測可以為超聲波電動機特性的研究提供參考［11］。同時，在整個測試過程中，傳感器未發現明顯溫升，接近于室溫。

4 結 語

本文首先分析了測試超聲波電動機驅動電流的必要性，然后介紹了閉環磁通門測量電流的原理。搭建了基于閉環磁通門傳感器CAS 6－NP的電流測試系統，實驗證明該系統靈敏度高，適合長時間測試。

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