基于boost和lcr阻尼振蕩的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究
閆碩，金龍，徐志科，胡敏強(qiáng)
（東南大學(xué)伺服控制技術(shù)教育部工程研究中心，南京210096）
摘要：為實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小型化，本文提出了一種基于boost和lcr阻尼振蕩的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)mosfet的開通和關(guān)斷分別工作在濾波儲(chǔ)能和電壓補(bǔ)償狀態(tài)。前者以lcr阻尼振蕩電路為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)電壓波形的優(yōu)化，后者通過boost升壓補(bǔ)償由lcr阻尼振蕩帶來的電壓衰減。選擇****的加壓時(shí)機(jī)使boost升壓和lcr阻尼振蕩電路之間相互配合，從而保證電路的輸出電壓的頻率和峰值到達(dá)設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī)；boost升壓；lcr阻尼振蕩
中圖分類號：tm359. 9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號：1001-6848( 2010) 02-0047-04
0引言
傳統(tǒng)超聲波驅(qū)動(dòng)電路主要由兩部分組成：一是由脈沖變壓器和功率管組成的升壓和逆變電路；二是利用超聲波電機(jī)阻容性負(fù)載特性和濾波電感的配合所組成的低通濾波電路。文獻(xiàn)[2]對以脈沖變壓器為核心的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了討論，通過分析其電學(xué)模型直接利用其漏感參數(shù)，使其與超聲波電機(jī)的容性參數(shù)配合起到了低通濾波電路的作用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)升壓。此類電路已成功用于多種超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。但該電路元件數(shù)量多且體積較大，制約了超聲波電機(jī)在其他相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]通過選取合適的l值使其與超聲波電機(jī)容性參數(shù)配合，利用lc電路的諧振特點(diǎn)同時(shí)起到升壓和濾波的作用，有利于降低了電路的體積。但該電路的功率傳輸能力有限，電路的穩(wěn)定性差同時(shí)諧振點(diǎn)的選取也有很大的難度，不利于其在工程領(lǐng)域的虛用。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的基于boost和lcr阻尼振蕩的升壓和逆變電路。
1方案設(shè)計(jì)
新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有三部分構(gòu)成：
一是以單片機(jī)為核心的控制電路，該電路為boost電路提供pwm波；
二是由boost和lc組成的升壓逆變電路；
三是由電源芯片構(gòu)成的穩(wěn)壓電路為單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片提供工作電壓。
工作原理簡述如下：穩(wěn)壓芯片提供5v電壓作為單片機(jī)，晶振芯片和功率管驅(qū)動(dòng)芯片的工作電壓。晶振芯片為單片機(jī)提供4 mhz工作時(shí)鐘。單片機(jī)輸出兩路pwm波經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片后控制boost電路工作在升壓狀態(tài)并于lc電路相協(xié)調(diào)工作，完成升壓和逆變。圖1為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
2超聲波電機(jī)電學(xué)模型
由于超聲波電機(jī)本身參與驅(qū)動(dòng)波形的調(diào)制過程中，因此討論超聲波電機(jī)的電學(xué)等效模型對于分析電路工作過程具有重要的意義。通過對單相駐波超聲波電機(jī)電特性的分析可知，單相驅(qū)動(dòng)的超聲波電機(jī)在諧振頻率點(diǎn)附近的等效電路可以用圖2(a)表示。圖中cd為壓電陶瓷介電性能引起的夾持電容；峨為壓電陶瓷介電性能引起的介電損耗；rd為壓電振子機(jī)械損耗的等效電阻；lm為反映壓電振子質(zhì)量效應(yīng)的等效電感；rm為對應(yīng)壓電振子彈性模數(shù)的等效電容；rm、lm和cm串聯(lián)支路反映了壓電陶瓷振子的機(jī)械振動(dòng)特性。在不改變電路外特性的前提下，圖2(a)最終可簡化為圖2(b)所示。
3硬件電路設(shè)計(jì)
3.1主功率電路
圖3為系統(tǒng)主功率電路拓?fù)洌渲衠l為irlml6401型mosfet管，其接受來自單片機(jī)的pwm驅(qū)動(dòng)信號的控制；dl為續(xù)流二極管。l1和l2為帶有磁芯的電感。他們分別在mosfet開通狀態(tài)下起到儲(chǔ)能和濾波的作用。現(xiàn)對主電路的工作原理做簡要分析。
mosfet的驅(qū)動(dòng)信號采用占空比為百分之90的pwm渡。主電路根據(jù)mosfet的開斷情況工作在兩種不同的狀態(tài)。功率管導(dǎo)通時(shí)，l1和dc組成儲(chǔ)能回路c和r組成阻尼振蕩電路，該回路利用mosfet斷開時(shí)l2和c中的儲(chǔ)能與電阻r配合完成一個(gè)周波的阻尼振蕩過程從而達(dá)到改善波形的目的，如圖4。
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