用于超聲電機(jī)的新型驅(qū)動電源設(shè)計

梁 莉，甘展宇，張鐵民

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642）

超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)制作的一類新型電機(jī)，通常這類電機(jī)采用兩組壓電陶瓷諧振產(chǎn)生的微位移以摩擦力的形式對外持續(xù)做功。為最大程度地降低噪聲，該類超聲電機(jī)所采用的壓電陶瓷部件諧振頻率一般在20 kHz 以上，所以超聲電機(jī)對激勵電源的頻率和波形有較高要求[1-6]。通常超聲電機(jī)在常規(guī)的開關(guān)電源方波電壓驅(qū)動下須匹配濾波電感與壓電陶瓷裝置，形成LC 低通濾波器，使電機(jī)在正弦電壓下振動，否則會產(chǎn)生刺耳的噪聲[7]。不同參數(shù)的超聲電機(jī)工作頻率不同，所用的壓電陶瓷等效電容量不同，故需要的濾波電感量不同，因而通用性受到限制。而其他方式產(chǎn)生高頻高壓正弦脈沖，如采用傳統(tǒng)模擬電路（高壓運(yùn)放）方案的正弦波激勵電源，雖然波形效果很好，但存在效率低、功率管發(fā)熱嚴(yán)重等問題，采用正弦脈寬調(diào)制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）控制的開關(guān)電源輸出，則輸出難以做到10～100 kHz 的寬工作范圍，且同樣面臨低通濾波器的通用性問題[8]。

為此，本文使用多路推挽變壓器串聯(lián)，在單片機(jī)STM32F103 的多路同步PWM 驅(qū)動信號控制下，通過調(diào)節(jié)控制信號相對相位對電壓波形進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使得電源在寬頻率范圍內(nèi)無須匹配低通濾波器即可基本實(shí)現(xiàn)正弦波電壓輸出，通過前置降壓電路實(shí)現(xiàn)輸出幅值可調(diào)，滿足通用性要求。

1 驅(qū)動電路設(shè)計方案

1.1 改進(jìn)型壓電陶瓷激勵電源結(jié)構(gòu)

改進(jìn)型壓電陶瓷激勵電源結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該激勵電源采用普通推挽升壓變壓器輸出電壓串聯(lián)疊加的方式產(chǎn)生梯形電壓。輸入端低壓直流電源經(jīng)過調(diào)壓后再經(jīng)過升壓變換，可在不影響輸出波形的前提下實(shí)現(xiàn)大范圍幅值調(diào)節(jié)。

圖1 激勵電源結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of excitation power supply

1.2 基于TC4420 的可調(diào)降壓電路

基于TC4420 控制器的可調(diào)降壓電源電路如圖2 所示，用于對輸入電源電壓調(diào)壓。TC4420 內(nèi)部集成了高速大電流推挽輸出電路，電平匹配控制電路便于單片機(jī)低壓IO 口驅(qū)動功率MOS 管。本電路采用一個大功率P 溝道MOS 管（IRF4905）作為開關(guān)管使電路輸出電流可達(dá)10 A 以上。圖2 中PWM信號輸入與MOS 輸出反相。單片機(jī)通過采樣電路獲得輸出電壓，并通過程序控制其幅值大小。

圖2 基于TC4420 的可調(diào)降壓電路Fig.2 Adjustable step-down circuit based on TC4420

1.3 基于IR2113 的串聯(lián)推挽升壓列陣電路

基于耐壓600 V 的半橋驅(qū)動芯片IR2113 的串聯(lián)推挽升壓列陣電路如圖3 所示。本電路直接將其高端驅(qū)動、12 V 驅(qū)動電壓與地相連，形成兩路低端驅(qū)動器。圖中使用4 片IR2113 芯片按照單片機(jī)的控制時序驅(qū)動8 個N 溝道MOS 管。4 路推挽電路參數(shù)一致，分別由4 路同步信號S1—S4 控制其頻率和占空比。每個IR2113 剎車端（引腳11）作為使能端，在驅(qū)動信號S5、S6 的作用下實(shí)現(xiàn)4 路推挽電路中2 個MOS 管的同步切換，不必為每個變壓器單獨(dú)設(shè)計兩路互補(bǔ)驅(qū)動信號。圖3 中，推挽逆變列陣電路將圖2 中的降壓電路輸出電壓進(jìn)行升壓變換，同時4 個變壓器串聯(lián)輸出作為壓電陶瓷激勵電壓。電容C1—C4用于減少電源輸入電壓波動，改善電路功率因數(shù)，可以取1 000 μF、25 V 耐壓的電解電容；電容C5—C8作為4 片IR2113 電源去耦電容，取值0.1 μF。因?yàn)橥仆炷孀冸娐芬驧OS 管耐壓必須大于工作電壓的2 倍，故8 個MOS 管Q1—Q8均采用50 V 耐壓的IRF3525。

圖3 基于IR2113 的推挽升壓列陣電路Fig.3 Push-pull Boost converter array circuit based on IR2113

1.4 反饋電路設(shè)計

LM317 線性穩(wěn)壓芯片及NE5532 運(yùn)放組成的模擬信號反饋電路如圖4 所示。電源輸出交流高壓經(jīng)圖中A、B 點(diǎn)輸入，由于STM32F103 芯片的ADC只能單極性輸入，故使用LM317 芯片產(chǎn)生的1.25 V 偏置電壓與經(jīng)過電阻分壓后的交流信號相疊加，從而抵消負(fù)壓，運(yùn)放作為電壓跟隨器結(jié)合瞬態(tài)電壓抑制TVS（transient voltage suppression）二極管對單片機(jī)進(jìn)行過壓保護(hù)。

圖4 反饋電路Fig.4 Feedback circuit

2 驅(qū)動程序設(shè)計

2.1 基于STM32F103 控制程序設(shè)計

STM32F103 單片機(jī)資源分配如圖5 所示。按鍵配合LCD 顯示完成參數(shù)設(shè)置，TIM8 輸出一路PWM信號用于控制輸出電壓大小，定時器TIM1 輸出兩路相互反相的周期信號用于切換MOS 管，定時器TIM2、TIM3 輸出的8 路PWM 經(jīng)過與門后輸出4路相位占空比相互獨(dú)立的信號用于控制MOS 管通導(dǎo)，在100 kHz 的輸出頻率下，PWM 控制精度最小為0.27%。反饋采樣部分使用雙ADC 交替工作模式，數(shù)據(jù)通過DMA（direct memory access）模式傳輸完成中斷執(zhí)行控制程序。

圖5 單片機(jī)資源分配Fig.5 Single-chip microcomputer resource allocation

2.2 驅(qū)動信號分析與設(shè)計

驅(qū)動信號時序如圖6 所示，4 路驅(qū)動信號S1—S4 頻率相同，但相位及占空比可通過反饋程序調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載下輸出電壓最大可能接近正弦波；S5、S6 同步且反相，頻率為前4 路信號的一半，同時，跳變沿始終在S4 信號低電平過程的正中間，確保換向時MOS 管已經(jīng)完全關(guān)閉。由于每個變壓器都采用推挽電路驅(qū)動，當(dāng)2 個MOS 管都關(guān)閉時，變壓器原邊相當(dāng)于開路并且為限壓箝位狀態(tài)，導(dǎo)致副邊繞組等效電感較大，同時，隨著開關(guān)管的開關(guān)，4 個變壓器副邊串聯(lián)輸出等效電感呈現(xiàn)周期變化，輸出波形并不是輸入的簡單疊加，需要反饋并調(diào)節(jié)驅(qū)動信號。程序基本流程如圖7 所示，4 路驅(qū)動信號初始時中心對齊，占空比等差。輸出后延時一定周期數(shù)，待其穩(wěn)定后采樣數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行濾波處理。找出電壓最大值位置判斷波形對稱性，根據(jù)不對稱程度通過PI 控制器調(diào)節(jié)驅(qū)動信號相位，待輸出對稱后調(diào)節(jié)驅(qū)動信號占空比，減少輸出畸形并調(diào)節(jié)輸出幅值。

圖6 驅(qū)動信號時序Fig.6 Timing sequences of driving signals

圖7 程序流程Fig.7 Flow chart of program

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 壓電陶瓷激勵電源開路輸出波形分析

本壓電陶瓷激勵電源分別工作在20、30、40、50 kHz 頻率下的實(shí)際開路輸出電壓波形如圖8 所示，其他頻率下的開路輸出電壓波形也基本一致，開路輸出尖刺較明顯，且集中在開關(guān)管開啟過程，但可以看出，電源的開路輸出輪廓大體接近正弦波，可采用成本較高的半橋電路改善。

3.2 壓電陶瓷激勵電源帶負(fù)載輸出波形分析

本壓電陶瓷激勵電源分別工作在10、40、70、100 kHz 頻率下的帶負(fù)載（壓電陶瓷靜態(tài)等效電容為8.5 nF）實(shí)際輸出電壓波形如圖9 所示。在容性負(fù)載的濾波下，壓電陶瓷兩端的電壓已經(jīng)很接近正弦波。負(fù)載等效電容越大，同頻率下的輸出波形就越接近正弦波。

圖8 開路輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experiment waveforms of open-circuit output voltage

圖9 帶負(fù)載輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experiment waveforms of output voltage with load

TRUM60 行波電機(jī)在本電源驅(qū)動下的波形如圖10 所示。該行波電機(jī)兩相壓電陶瓷部件靜態(tài)等效電容皆為12 nF，工作最佳頻率在41.3 kHz 左右。電機(jī)與驅(qū)動電源間無濾波電路，電機(jī)運(yùn)行正常，無尖銳噪聲。相位差通過預(yù)設(shè)兩路電源計數(shù)器不同計數(shù)初值，在相同的觸發(fā)電平于外部中斷回調(diào)中開啟計數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖10 TRUM60 行波電機(jī)測試電壓波形Fig.10 Test waveforms of voltage of TRUM60 traveling wave motor

4 結(jié)語

本文設(shè)計了新型驅(qū)動電源用于超聲電機(jī)驅(qū)動，該電源可提供較大范圍的幅值、頻率可調(diào)幅度，該電源在工作頻率為10～100 kHz 范圍內(nèi)使用時無須考慮低通濾波器的匹配問題，即可基本實(shí)現(xiàn)正弦電壓驅(qū)動。該激勵電源工作頻率由單片機(jī)晶振分頻而來，精度很高而且輸出調(diào)節(jié)方便，多路電源可通過硬件實(shí)現(xiàn)相位差同步，具有成本低、通用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。