超聲波電機諧振驅動電路仿真與實驗研究
張瑞，史敬灼，劉兆魁
（河南科技大學電子信息工程學院，洛陽471003）
摘要：根據超聲波電機的容性負載特性，通過串聯匹配電感，構成由超聲波電機本體參與的lc諧振升壓的無變壓器式驅動電路。文章提出了固定所有電路參數，只改變驅動信號頻率、占空比和諧振周波數的方法，實現對超聲波電機的驅動控制。以usr30為研究對象，對此方法進行實驗驗證，并為進一步有效地驅動控制電機提供可靠的依據。
關鍵詞：超聲波電動機；lc諧振；驅動電路
中圖分類號：tm359. 9 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)-03-0045-03
o引 言
目前，超聲波電機驅動控制器的體積較大，在一些應用中受到很大的限制。文獻[1]根據電機的容性負載特性，通過簡化超聲波電機的等效電路，提出了利用lc諧振的無變壓器式驅動電路，并進行了仿真分析。文獻[2]研究了諧振驅動電路的設計方法，說明了輸出信號中各次諧波幅值和
能量比與驅動信號占空比和諧振周期之間的關系。上述文獻的研究為超聲波電機功率諧振式驅動電路的研究提供了較好基礎，但所給出的驅動電路只能使電機工作在預先設計的確定工作點，電機驅動電壓頻率等可控變量均不可調節，嚴重限制了該類電路的實際應用。文獻[3]在可調可控方面進行了初步探索，對選擇不同的電阻、電感值以實現頻率離線調節進行了分析。但由于電路中的電感是功率電感，變電感值不易在線準確實現，功率諧振式驅功電路的可調可控仍有待進一步研究。
本文提出了一種新的驅動控制方法：即在固定電感值等所有電路參數不變的基礎上，只改變功率開關驅動信號頻率、占空比和諧振波數，以使驅動超聲波電機的正弦波等效效應發生改變，從而實現電機驅動電壓可調可控，進而實現電機轉速控制。在此基礎上進行仿真測試并搭建硬件電路，通過實驗驗證了這種方法的可行性，并為更好的驅動控制超聲波電機提供可靠的依據。
1超聲波電機等效電路
超聲波電機在諧振頻率附近，可以用圖1的等效電路來表示，其中cd是壓電陶瓷的夾持電容，電機質量效應的等效電感，c是彈性效應的等效電容，r。是定子內機械損耗的等效電阻。在不改變外特性的前提下，將等效電路簡化為rc并聯電路，各參數關系如下：
由于超聲波電機一般在機械諧振點和反諧振點之間運行，電機對外呈容性，可忽略阻抗很大的串聯之路的影響，略去等效電阻r。由于mos—fet內部有一個反并聯體二極管，在電容c電壓反相時會通過此二極管放電，使得輸出電壓只有正半波。為了防止這種情況出現，在電路串聯一個超快恢復二極管，使得在開關斷開期間lc能形成完整的振蕩。使用boost升壓lc諧振電路如圖2所示。
電路工作原理為：當開關p導通時，電源向電感l儲能；開關斷開時，電感中儲存的能量向電容c釋放并與其諧振，整個電路為帶初始條件的lc串聯諧振電路。boost升壓單元提升電壓的關鍵原因有兩個：一是電感l儲能后具有使電壓泵升的作用，二是電容c可將輸出電壓保持住，因此占空比的選擇對輸出電壓的幅值和有效值起關鍵作用。串聯匹配電感的選擇由式：
決定，式中a為在關斷期間諧振的整周波個數，d為占空比，t為開關周期。
2驅動控制方法的仿真研究
一旦匹配電感選下，lc諧振頻率就固定不變，通過調整驅動mosfet昀驅動信號頻率來改變諧振波形的占空比，不連續正弦波的等效效應發生改變，從而調節電機轉速，達到控制目的。開關驅動信號頻率廠與電機諧振頻率關系見圖3，并可表示為：
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