（电机与电器专业论文）一种具有频率自动跟踪功能的超声波电机驱动电源的设计.pdf

a b s t r a c t u l t r a s o n i cm o t o r ( u s m ) i san e wp r i n c i p l em i c r o m o t o rt h a th a sb e e nd e v e l o p e d i nr e c e n tt w e n t yy e a r s i ti sd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cm o t o r s u l t r a s o n i cv i b r a t i o ni se x c i t e db yt h ec o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to fp i e z o e l e c t r i c m a t e r i a l sa n dm a g n i f i e db yt h ee l a s t i cb o d y w i t ht h ef r i c t i o nc o u p l i n g ，t h er o t a t i o no r l i n e a rm o t i o no ft h er o t o ri sg e n e r a t e d s i m p l es t r u c t u r e ，l o ws p e e da n dh i g ht o r q u e ，n o e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，a n dh i g hh o l d i n gt o r q u ew h e np o w e ri so f f , c h a r a c t e r i z e u s m u s mi sw i d e l ya p p l i e di n m i c r o - m e c h a n i s m ，r o b o t s ，p r e c i s ei n s t r u m e n t s ， a u t o m o b i l e ，s p a c e c r a f ta n do t h e rf i e l d s s i n c em o r et h a nt w e n t yy e a r s ，u s mr e s e a r c hh a sm a d eg r e a tp r o g r e s sa n dc e r t a i n t y p e so fm o t o rh a v eb e e ni n d u s t r i a l i z e d i no r d e r t oa d a p tt ot h ei n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t o fu s m ，t h er e s e a r c ho nd r i v i n ga n dc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g ym u s tb es t r e n g t h e n e d a t p r e s e n t , h i g h - p e r f o r m a n c ed r i v i n gp o w e rs u p p l yh a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o ti n h o m ea n da b r o a d o nt h eb a s i so f t h e o r e t i c a ls t u d y ，af r e q u e n c y - t r a c k i n gp o w e rs u p p l y o fu s mi sd e s i g n e di nt h i st h e s i s t h em a i nw o r ka c c o m p l i s h e di nt h i st h e s i si ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c i n gt h eb a s i cp r i n c i p l e ，u n i q u ea d v a n t a g e s ，t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo f u s ma n dt h em e a n i n ga n dm a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i s ( 2 ) a n a l y z i n gt h ei m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fu s m ，s t u d y i n gt h er e a s o n so f r e s o n a n tf r e q u e n c yd r i f t i n g ，a n dt h e ns u m m a r i z i n gt h em e t h o d so ff r e q u e n c yt r a c k i n g ( 3 ) d e s i g n i n g af r e q u e n c y t r a c k i n g d r i v i n gp o w e rs u p p l y o fu s m t h e f u n d a m e n t a lo ff r e q u e n c yt r a c k i n gi s k e e p i n gv o l t a g e - c u r r e n tp h a s ed i f f e r e n c e u n c h a n g e da n dt h i sm e t h o di sr e a l i z e dw i t hp h a s e l o c k e dl o o pc d 4 0 4 6 ( 4 ) t e s t i n gt h ep o w e rs u p p l yd e s i g n e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h i sp o w e r s u p p l ye f f e c t i v ea n dt h ef r e q u e n c y - t r a c k i n gm e t h o du s e df e a s i b l e k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cm o t o r ；d r i v i n gp o w e rs u p p l y ；f r e q u e n c yd r i f t i n g ；f r e q u e n c y t r a c k i n g ；p h a s e l o c k e dl o o p i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：专铲咔弗u 签字日期：7 咿争年易月l 弓臼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 枷i 牛 ，u 签字日期：沙吻年易月吗日 翮躲寺爿 导师签名：dr 秒厶1 签字日期渤拆厶月，；日签字日期渤 了年( 9 月，5 日 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 超声波电机是一个机电耦合系统，它涉及到振动学、摩擦学、波动理论、材 料科学、计算科学、电力电子技术、自动控制技术和实验技术等，是一项跨学科 的高新技术。超声波电机原理简单、设计灵活，现在已经研制出了各种各样的超 声波电机，如驻波型、行波型、复合型以及步进型、非接触型等等。 1 1超声波电机简介 1 1 1 超声波电机的原理m 叫町 1 基本原理 超声波电机是利用压电陶瓷材料的逆压电效应，把电能转换为弹性体的超声 振动( 振动频率在2 0 k h z 以上) ，并通过摩擦传动的方式转换为运动体的旋转或 直线运动。该类电机没有磁极和绕组，一般由振动体( 相当于电磁电机中的定子， 由压电陶瓷和金属弹性体构成) 和运动体( 相当于电磁电机中的转子) 组成，为 了减少振动体和运动体之间相对运动产生的磨损，通常在二者之间加上一层摩擦 材料。 超声波电机运行中有两个能量转换过程n 1 ，如图1 - 1 所示。第一阶段：利用 压电陶瓷的逆压电效应将电能转换成金属弹性体中质点的超声频率的振动能， 并在定子表面形成质点的椭圆或李萨如运动轨迹，转换效率依赖于振动体的几何 性质及压电陶瓷的激励条件。振动模式主要是纵振、弯曲振动、扭振以及它们之 间的相互叠加；第二阶段：定子表面质点超声振动导致的微观形变通过共振放大 和摩擦耦合转换成转子的宏观运动，即超声振动能转化为转子的运动能。第一阶 段中输入到压电陶瓷中的电能转化为定予微元质点的动能和形变能；第二阶段中 定子质点的动能和形变能通过定子与转子之间的摩擦作用转化为转子的动能和 形变能，另外形变与摩擦还会耗散一部分能量，这部分能量以热能的形式发散出 来。 浙江大学硕上学位论文 超 声 波一 电 机 定 子 第一阶段： 一超声振动能 二二j 二j j j i 匠三三三 第二所段； 转 子 振动能_ 转子动能 二= 二二二二蓠二= 二二= 二j 图1 - 1 超声波电机换能过程 2 逆压电效应 压电陶瓷作为超声波电机能量转换的媒介，是为电机提供驱动力的核心元 件，压电陶瓷的逆压电效应是超声波电机工作的主要原理。在此简要说明什么是 压电陶瓷的逆压电效应。 1 8 8 0 年法国两位物理学家一居里( c u r i e ) 兄弟在研究石英晶体的物理性质时 发现嘲，当把重物放在石英晶体上，晶体的某些表面上会产生电荷，这一现象称 为压电效应，具有压电效应的所有晶体统称为压电晶体。1 8 8 1 年，居里兄弟又 在实验上证实了压电晶体的另一种物理现象一逆压电效应：将压电晶体置于外电 场中，由于电场的作用，压电晶体会发生形变，形变的大小与外电场的大小成正 比，电场撤除后，形变消失。压电陶瓷具有压电效应和逆压电效应特性，超声波 电机主要就是利用压电陶瓷的逆压电效应实现电能向机械能的转换。 1 1 2 超声波电机的特点嘲圳 1 优点 与传统的电磁电机相比，超声波电机具有如下优点： ( 1 ) 电机振动体的振动速度和摩擦传动机制决定了它是一种低速电机，但它 在实际运行时的转矩密度一般是电磁电机的1 0 倍以上。因此超声波电机可以直 接带动执行机构，而无需减速齿轮。 ( 2 ) 能量密度是电磁电机的5 1 0 倍左右，相同功率下，其体积比电磁电机 小得多。 2 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 电机振动体的振动是超声频域内的振动，并且由于它不需要齿轮减速机 构，所以其运行时非常安静。 ( 4 ) 无磁极和绕组，工作时无磁场产生，也不受外部磁场和其它辐射源的影 响。 ( 5 ) 电机断电时由于定、转子间静摩擦力的作用，使其具有很强的断电自锁 能力。另外，由于电机转子转动惯量小，定、转子间的摩擦力相对大，所以其瞬 态响应时间短，控制精度高。 ( 6 ) 超声波电机具有耐低温、真空的特性，适合于太空环境。 2 缺点 超声波电机具有低转速大转矩、响应时间短、不受电磁干扰等优点，然而对 于接触型超声波电机来说，由于定转子之间具有摩擦接触，因此其不可避免地存 在着一些缺点： ( 1 ) 电机的寿命较短，目前只适用于间歇工作的场合。 ( 2 ) 功率较小，效率较低。目前，一般的旋转行波型超声波电机的效率在3 0 左右，输出功率小于5 0 w 。 ( 3 ) 对驱动信号要求较高。 与一般超声波电机依靠定转子间的摩擦来传递能量不同，非接触型超声波电 机的定转子不直接接触，克服了接触型超声波电机的易磨损、不能长时问工作等 缺点，这些是超声波电机领域的一个新的研究方向。 1 2 超声波电机的发展及应用 1 2 1超声波电机的发展简史n 习n 町 2 0 世纪4 0 年代，人们就知道了超声波电机的工作原理，但直到8 0 年代， 随着具有高转换效率的压电陶瓷材料的出现，以及电力电子技术的发展，才逐步 研制出各种类型的超声波电机。 1 9 6 1 年，日本的b u l o v aw a t c hl t d 公司首次利用弹性体振动来驱动钟表 齿轮，引起了轰动倒。 1 9 7 0 至1 9 7 2 年，s i e m e n s 公司和m a t s u s h i t a 公司研制出一种直线型作动器 和步进电机，其中使用了压电振子这一关键元件。但由于压电材料在几十千赫兹 甚至更高的驱动频率下工作，振子振幅太小，无法获得较大的转矩和速度。 3 浙江大学硕士学位论文 1 9 7 3 年，i b m 公司的b a r t h n 町用压电元件使一种具有牛角尖型的结构产生振 动，通过结构与转子表面间的接触、摩擦来驱使转子运动。与此同时，前苏联的 l a v r i n e n k o 等人也研究了几种类似原理的超声波电机，并指出了其结构简单、 低速大扭矩、能量密度大等特性。 1 9 7 8 年，前苏联的v a s i l i e v 研制了一种能够驱动较大负载的超声波电机n 刀， 这种电机使用两个金属块夹持压电元件的结构，利用振动片的纵向振动，通过振 动片与转子间的摩擦来驱动转子。但是由于运行中温度的升高、摩擦及磨损等原 因，该电机一直没有得到实际的应用。 1 9 8 0 年，日本的s a s h i d a 在v a s i l i e v 的研究基础上，提出并成功制造了驻 波型压电超声波电机n 射，它是第一个能够满足实际应用要求的超声波电机。然而 由于该电机振动片与转子问的接触是固定在一个位置上，存在着严重的接触面的 摩擦和磨损问题。 1 9 8 2 年，s a s h i d a 为了解决驻波型超声波电机定、转子接触面上严重的摩擦 和磨损问题，提出并制造了另一种超声波电机一行波型超声波电机n 们，实现了由 驻波定点、定期推动转子变换成由行波连续不断地推动转子，大大地降低了定、 转子间的摩擦。 1 9 8 7 年，s a s h i d a 研制的行波型超声波电机正式投入商业应用，同时s a s h i d a 创立了s h i n s e i 公司，这是超声波电机从实验阶段走向商业应用阶段的重要标 志，此后许多超声波电机新产品不断地研制出来并推向市场。 8 0 年代末9 0 年代初，西方国家如美国、德国等也都进行了大量的超声波电 机研究。 9 0 年代以后，有关压电超声波电机的研究已趋向多元化。 我国超声波电机的研究开始于二十世纪九十年代，其中清华大学、浙江大学、 南京航空航天大学等先后开展了超声波电机的研究。这些研究包括对超声波电机 的运行机理、控制方法以及原理样机的研制和试验，也研制出了一些性能较好的 超声波电机，其已经接近商业应用的水平。 1 2 2 超声波电机的应用情况阳l 汹l 乜 如前所述，超声波电机具有很多独特的优点，它在微型机器人、汽车、航空 航天、精密定位仪、光学仪器、内窥镜及武器装备等领域有着广泛的应用前景， 4 浙江大学硕士学位论文 并且在某些领域已经成功应用。 ( 1 ) 照相机调焦。超声波电机目前最典型的应用是用于照相机的镜头调焦中， 这主要是因为它适应了这种高转矩的需要，而且其中心位又可以做成中空结构的 缘故。与采用电磁电机的镜头相比，有几个优点：安静、无电磁噪声；定位精度 高；调焦时间短：无齿轮减速机构、结构简单。目前日本的c a n o n 公司已有3 7 种照相机的调焦镜头中应用了超声波电机，其它如s e i k o 、o l y m p u s 等公司的照 相机也在逐步采用超声波电机n 帕。 ( 2 ) 航窄航天。为了防止和减少机械装置在真空和失重情况下产生的反向冲 击，航空机械通常在低速下工作，且在这种条件下无法进行润滑。超声波电机可 以在低速下工作，不需润滑，所以其很适合这种环境。近年来，美国在宇宙飞船、 火星探测器等航空航天工程中陆续应用了超声波电机瞳羽。 ( 3 ) 机器人关节驱动。若在机器人的关节部位安装一个中空结构的环形超声 波电机，与电磁电机相比可以大大减轻重量，并且中空的结构还可用来传送信号。 现已由m i t 的航空航天系和人工智能中心研制出用于微型机器人的微型超声波 电机，直径仅为2 m ，这种微型电机大大发挥了它的低速高转矩的特点。 ( 4 ) 汽车。小功率电机在汽车上应用非常广泛，所用力矩范围在0 9 8 - 4 9 n m 之间，如用于车门玻璃的升降、刮雨器、座椅、头靠的调整等。汽车上所用电机 多是间歇工作的，目前小功率超声波电机连续工作寿命在几千个小时，能够满足 汽车的使用要求，丰田汽车公司己在其产品中使用了这种电机。 ( 5 ) 精密定位装置。超声波电机可用于精密定位装置，如坐标平台的驱动 源。超声波电机响应快，断电自锁，定位精度准确。 ( 6 ) 民用装置乜町。日本东京都府窗子上的窗帘机用超声波电机驱动，由于该 种电机噪声低，所以其适用于办公场所、医院、图书馆等地方。 ( 7 ) 强磁场环境。超声波电机不受外磁场的影响，因此可用于核磁共鸣装置 周边的驱动器，也可以用于磁悬浮列车。 从以上可见，超声波电机在某些领域已经取代部分传统电磁电机而成功使 用，并且有专家预言，2 1 世纪将是超声波电机大放光芒的时代，它会在更多的 领域得到更广泛的应用。 浙江大学硕- 上学位论文 1 3 超声波电机的驱动控制技术 超声波电机的输出性能与其驱动控制系统有很大的关系，高性能的驱动控制 系统是电机应用系统中的重要组成部分。以下将从驱动和控制两个方面叙述超声 波电机的驱动、控制技术及其当前研究现状伯讣跏。 1 3 1驱动技术 超声波电机的工作原理之一是压电陶瓷的逆压电效应，因此要驱动超声波电 机，就需要由高频( 该频率要与电机的谐振频率相符) 电压来激励压电陶瓷。实 现的方法大致有两大类：一类是利用开关电源技术伽洲，由逆变来实现电压升 压、能量传递、阻抗匹配和电源隔离。新型电力电子器件如功率m o s f e t 、i g b t 等的发展，给开这类驱动电源的研制提供了可能。就功率放大逆变电路的设计来 说，主要采用推挽型、半桥型、全桥型等几种形式。目前这种开关逆变型驱动是 一种常见的超声波电机驱动电路，特别是在国内的行波型超声波电机的驱动中使 用比较广泛；另一类是采用正弦波信号直接放大输入到超声波电机，这种方法目 前采用数字直接合成技术( d d s ) 嗍，以模拟放大电路为基础来实现。该方法的控 制算法简便灵活，但整个系统复杂，成本也比较高。 1 3 2 控制技术 超声波电机利用摩擦驱动，定转子之间的相对滑动摩擦系数不能完全确定， 而且电机的输出性能也会随着环境温度、摩擦损耗、预压力以及驱动器激励频率 等因素的变化而变化。上述因素决定了超声波电机不能像电磁步进电机那样在开 环系统下工作，而必须采用闭环控制才能充分发挥它的良好性能，另外当对位置、 速度、力矩有要求时则更需要采用闭环控制。 从驱动和控制角度来说，一般超声波电机有调压、调频、调相等不同的控制 方式。这几种控制方法各有优缺点：对于调压控制方式，它是线性调速、驱动电 源简单，但其调速范围小、死区大、低速力矩小；调频响应快、易于低速起动、 电源简单，然而其存在非线性、稳定性较差；调相调速比较平稳、易于控制，缺 点是低速启动难、电路复杂。通过这三种控制方式的比较，可以发现频率调节比 较适合于速度控制，而相位差调节则比较适合于位置控制。 就超声波电机控制技术的研究而言，其可分为两个层次：一是电机的本体控 6 浙江大学硕士学位论文 制，也就是说如何克服电机的固有缺陷，使其稳定运行；二是面向实际应用的伺 服控制研究。 1 超声波电机的本体控制 超声波电机的谐振频率是一个非常重要的参数，驱动器的输出频率要设置 在谐振频率的附近，这样才能得到较好的驱动效果。然而超声波电机在运行过程 中，其定子上的压电陶瓷性能会随着环境温度、摩擦损耗、预压力、激励电压、 输出负载等因素而变化，从而致使谐振频率发生漂移，进而导致电机转速下降、 转换效率降低，这其中温度的影响尤其明显。为此必须对超声波电机进行频率跟 踪控制，以减小其速度波动，提高其运行的稳定性。目前为止频率跟踪控制的方 法主要有：基于驱动电压的跟踪、基于驱动电流的跟踪、基于最大效率的跟踪口、 基于孤极电压的跟踪以及基于某些特定相位差的跟踪等。基于驱动电压或驱动电 流的频率跟踪控制方法在实际操作中有很大的难度，一般很少单独使用；基于孤 极反馈电压的跟踪方法目前使用比较广泛，这种方法简单可靠，较容易实现，但 该方法仅以电机转速为跟踪对象，只是实现了转速在一定程度上的稳定；同样基 于最人效率的频率跟踪也只是以效率为跟踪对象，很难顾及到速度等其它指标； 本文设计的超声波电机驱动电源，其频率跟踪采用保持电机工作状态不变的方 法，也即保持电机驱动电压、电流间的相位差恒定不变。该方法以电机的工作状 态为跟踪对象，弥补了其他方法以转速或效率等为单一跟踪对象的不足之处。它 通过调节驱动器的激励频率来保持相位差恒定，从而达到跟踪超声波电机某一工 作状态的目的。 2 超声波电机的伺服控制 2 0 世纪9 0 年代至今，一些学者对超声波电机伺服定位和速度控制进行了广 泛的研究，设计出了各种不同的控制算法，以驱动电压、频率、相位或其组合为 控制变量，实现了超声波电机在变负载下的自适应、高精度和稳定的位置或速度 控制。目前超声波电动机伺服控制方法主要有：固定增益或变增益的p i d 控制， 自适应控制，模糊控制，神经网络控制，混合控制等。 1 4 本文的研究内容 超声波电机工作于超声频域，其容性负载特性不同于日常电力电子装置中的 感性及电阻性负载，因此超声波电机作为某一驱动装置部件时，就需要配备专用 7 浙江大学硕士学位论文 的驱动电源。超声波电机的驱动控制电源相对于其它电磁型特种电机有其特殊 性，如需高频驱动、匹配电路等，又由于超声波电机运行中的频率漂移，一个完 备的驱动电源还需频率跟踪电路。由以上可见，具有频率自动跟踪功能的驱动器 的研制对超声波电机而言显得十分必要。 本文第一章绪论中，说明了超声波电机的工作原理及特点，回顾和总结了其 发展、应用情况，概述了电机的驱动控制方法。第二章从超声波电机的等效电路 入手，分析了电机的阻抗特性，指出了其三对特征频率以及特征频率在电源设计 中的指导作用，最后对电机的几种匹配电路进行了分析与比较。第三章作为独立 的章节，主要阐述了超声波电机的频率漂移及跟踪问题，内容包括频率漂移的原 因及其对电机性能的影响、频率跟踪的实质、方法等，其中着重分析了保持电机 驱动电压电流间相位差恒定的频率跟踪的原理以及实现方法。第四章是本文的重 点，这一章主要介绍了一种具有频率跟踪功能的超声波电机驱动电源的设计全过 程。第五章对所设计的电机驱动电源作了实验分析，从实验结果可知设计中采用 的频率跟踪方法是可行的。第六章是本论文的结束语，对超声波电机的驱动控制 技术进行了总结，对其今后的发展进行了展望。 1 5 本章小结 本章首先简要分析了超声波电机基于超声振动和摩擦传动的基本工作原理， 介绍了其与传统电磁电机相比所具有的独特优点，同时提到了超声波电机的一些 不足之处。接着概述了超声波电机的发展以及应用情况。而后对超声波电机的驱 动控制技术作了叙述说明，概括了其目前的研究进展情况。最后指出了本论文的 选题意义、研究内容以及章节安排。 第二章超声波电机的阻抗特性及匹配电路分析 超声波电机是基于高频机械振动和摩擦驱动原理工作的，其动态过科复杂， 根难用纯数学的方注建模。工程r 通常可以通过机电类比原理，将定、转子的机 械晕等效为台适的电量，将定子的质昔、刚度和阻尼等效为台适的电子兀器件， 形成人们所熟知的电路形式，此电路在机电转换等问题上与其所代表的电机系统 等效。这种方法称作等效电路法，它是日前超声波电机的主要分析方法之。虽 然等效电路法的推导和数学描述小是狠严密，但对超声波电机以及匹配电路的设 计而言，其不失为一种简单而自效的方法。以下就用这种方法对超卢波电机的特 性及匹配电路进行分析研究。 21 超声波电机阻抗特性理论分析 211 超声波电机的等效电路侧。“ 罔21 足行渡型超卢波i u 机的结构分解【纠，i 定予的等效电路如罔22 所示。 多* h ， 圈2 1 i 波型超声波电机结掏圈 固爹曩 浙江大学硕士学位论文 i r j “d 芒 图2 2 超声波电机定子的等效电路 图2 2 中，r ，、l 。和c ，共同构成超声波电机的动态支路，动态支路的每个 元件与电机的振动联系在一起：r 。和q 构成电机的静态支路。 ( 1 ) 电阻r 。代表机械阻尼，它由两部分组成。一部分表示电机定子本身的动 态电阻，是一个随谐振状态变化的量。因为压电振子在振动过程中内部存在粘滞 阻尼，有一定的能量损耗，这一部分能量损耗可以等效为电阻；另一部分是表示 定子对外做功( 包括定转子问的摩擦损耗和转子输出的功率) 的动态电阻，是与 预压力和摩擦特性有关的量。超声波电机的结构独特，一般定子固定在机座上， 定、转子间有压紧力，由定、转子之间的摩擦产生驱动力。这样在电机运行中就 存在着机座支撑和转子压紧力所引起的阻尼损耗以及定、转子问的摩擦损耗，另 外轴承和其它零部件也会产生一定的摩擦损耗、粘滞损耗，这些损耗以及转子输 出功率也都可以用等效电阻来表示。 ( 2 ) 三。表示定子的动态电感，与机械质量成正比。 ( 3 ) c 卅表示定子的动态电容，与定子的刚度成反比。 ( 4 ) c 。为定子的静态电容，由压电振子的介电常数和电极尺寸决定。当测量 频率远小于电机谐振频率时，测量结果就是其静态电容，也即夹持电容。 ( 5 ) 心表示定子的介质损耗。任何电介质( 包括压电晶体) 处在电场中，特别 是在交变电场中长时间工作，都有发热现象。该现象说明介质内部发生了某种能 量的耗散，这就是介质损耗。当电场是静电场时，介质损耗来源于介质中的电导 过程，当电场是交变电场时，介质损耗来源于电导过程和极化驰豫过程。常温下 压电晶体的电导损耗很小，可以忽略不计，主要是极化驰豫所引起的介质损耗， l o 浙江大学硕士学位论文 即指电场给电介质提供的能量有一部分要耗散在强迫固有电矩转动上。这部分能 量没有转变为介质的极化能而成为热能被耗散掉，可以用介质损耗电阻弼来表 示。 2 1 2 超声波电机的特征频率咖汹1 由图2 - 2 ，设定电路的总导纳为y ，并联支路和串联支路的导纳分别为圪和 l ，则： 匕= g d + j b d = i r d + - j f 缈c j ， 匕= g 。+ 6 。 ( 2 1 ) y = 匕+ l = ( g j + g 。) + ，( 6 d + k ) = g + ，口 ( 2 2 ) 式中，g 。b m 分别表示电机定子的动态电导和动态电纳：g 和曰分别表示电机 定子的并联电导和并联电纳，其中： 整理得： g 。= 虿而i g m 丽，玩= 可- 百( c o t i , , - 面1 o , c ) ( 2 3 ) ( 召一国q ) 2 + g - ( i r a + 1 2 如) 】2 = ( 1 2 r 。) 2 ( 2 - 4 ) 上式是标准的圆方程，其圆心在( ( 1 也+ l 2 r , ) ，蚂) ，半径为1 2 r m 。 可见超声波电机定子导纳y 的矢量终端轨迹是一个圆，称为导纳圆，如图2 3 所 示。实际中由于压电陶瓷的介质损耗很小，即r 。很大，1 r d 可以忽略，这样上 述圆方程就变为： ( b c o g ) 2 + ( g 一1 2 r 。) ) 2 = ( 1 2 r ，) 2 ( 2 5 ) 即为和纵轴相切的圆。 浙江大学硕- 上学位论文 d 卜、| r d 一 、 公j 1 _ 。 j宴夕 ? o j c o z ； 1 d en 刃r 8 图2 - 3 定子导纳圆 从导纳圆图中可以看出超声波电机存在3 对特征频率，其中厶、z 、正、 、，和分别为电机的最大导纳频率、最小导纳频率、串联谐振频率、并联 谐振频率、谐振频率和反谐振频率。3 对特征频率的定义( 忽略r 。) 如表2 1 所示。 表2 - 1 定子特征频率的定义 特征频率意义条件 l 吼 最大导纳频率 d l r l d o d = 0 ， 最小导纳频率 4 r l l a y ，便可以确定变压器铁心尺寸。 线圈尺寸确定 线圈尺寸可以参考下式： 扣1 1 3 括 ( 4 - 3 ) 式中，d l ：各绕组导线直径( r r a n ) f ：各绕组有效电流( a ) j ：电流密度( a m n l 2 ) 其中， 己：铜耗( w ) g 。：铜线质量( k g ) j = g 。= 8 9 l 。s 。k 。x 1 0 。3 三。：线圈平均匝长( c m ) s 。：磁芯窗【j 面积( c m 2 ) 3 5 ( 4 - 4 ) ( 4 - 5 ) 浙江大学硕士学位论文 k 。：铜线窗口占空系数 当然，在计算线圈尺寸的时候我们要考虑到集肤效应，当导线直径大于穿透 深度( ：磐) 两倍的时，我们就要遵循多股并绕的方法。 遗 匝数比确定 初级绕组匝数的确定按照下式： l - 器 ( 4 _ 6 ) 式中，：初级绕组匝数； 【，。：初级电压幅值( v ) ； a 。：有效截面积( c m 2 ) 。 次级绕组匝数： n 2 ：坚n 1 ( 4 7 ) 【，j p l 式中， ：次级绕组匝数； u p 2 ：次级电压幅值( v ) 。 确定了铁心尺寸、线圈直径和原边匝数以及匝数比后，就得到了一个较佳的 变压器的结构参数。 通过上述方法并考虑一定的余量，得到的变压器参数如下：变压器铁心尺寸 为e 1 2 8 ，铁心材料是铁氧体：原边线圈直径为0 6 1 r a m ，副边线圈直径为0 4 1 衄； 原边匝数1 0 匝，副边匝数5 0 匝。 4 3 反馈电路的设计 反馈电路主要包括频率跟踪电路以及必要的保护电路，下面将详细地叙述这 两部分的设计。 4 3 1 频率跟踪电路 本设计中的频率跟踪是基于保持超声波电机一相驱动电压、电流的相位差不 变进而维持电机工作状态基本不变的思想，并且从3 2 2 小节的阐述中知道，采 浙江大学硕士学位论文 用锁相环可以实现这一思想的频率跟踪。频率跟踪控制示意图如图4 - 8 ，图巾锁 相环用数字锁相环c d 4 0 4 6 ，其主要部分有相位比较器p c 、低通滤波器l p f 和压 控振荡器v c o 。 c d 4 0 4 6 图4 8 频率跟踪控制框图 采样电流和电压由波形变换电路转变为方波，方波电流再经过移相电路后移 某个角度( 0 0 - 9 0 0 之间) 变为i7 ，将u 7 、i7 一同送入相位比较器p c 的两个输入端，由 p c 给出它们的相位误差信号，误差信号经低通滤波器l p f 滤除高频成分后作为压 控振荡器v c o 的控制电压，这个控制电压决定了v c o 的振荡频率，使电压u 7 和电流 1 7 同相位，即使超声波电机一相电压、电流间保持某一相位差恒定不变，也就是 说电机运行于某一特定的工作状态不变。如果发生谐振频率漂移，u 7 和1 7 之间会 再次出现相位差，当谐振频率左漂，v c o 的控制电压应为低电平，以便把振荡频率 拉下来：而当谐振频率右漂时，v c o 的控制电压应为高电平，使得频率能够提上 去，这样就能使u7 和i7 相位重新同步。 1 锁相环c d 4 0 4 6 的介绍 c d 4 0 4 6 是一种低频多功能单片数字集成锁相环电路，图4 - 9 是其内部电路原 理框图，它由相位比较器i ( p c i ) 、相位比较器i i ( p c i i ) 、压控振荡器( v c 0 ) 、 运算放大器a l 、源极跟随器a 2 和稳压管组成，相位比较器有两个共同输入信号端 ( 3 5 h 1 4 脚) 。 3 7 浙江大学硕士学位论文 r 4 图4 9c d 4 0 4 6 内部电路原理框图 压控振荡器v c o 用以产生方波信号，其振荡频率决定于外接电阻r 1 、r 2 、电 容c 1 以及电压控制端9 脚。输出频率范围厶、t 由下面两式计算而得，要注 意的是下面两个公式只是一个设计向导，具体的电阻、电容值还要通过试验来确 定。 厶；= 二一( 4 - 8 ) 。“r 2 ( c i + 3 2 p f ) 。 丘2 面南t - 厶( 4 - 9 )。一r l ( c l + 3 2 p f ) ，一 这里，i o k _ r 1 s 1 m ，i o k r 2 _ l m ，i o o p f _ c 1 s0 1 旷 相位比较器p c i 采用异或门结构，要求输入信号占空比为5 0 。若采用无源 低通滤波器，入锁时两输入信号之间的相位差将在0 0 至f j l 8 0 0 之间变化。 p c i i 是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络，对两路输入信号的占空比 没有要求。它由受逻辑门控制的四个边沿触发器和三态输出电路组成，它的输出 为三态结构。系统一旦入锁，其输出将处于高阻态，无源低通滤波器的电容c 2 无放电回路，p c i l 相当于具有极高的增益，两输入信号间可保持严格同步，其最 大锁定范围与输入信号波形的占空比无关，而且捕捉范围与低通滤波器的时间常 数无关，一般可以达到锁定范围等于捕捉范围。图4 - 1 0 是p c i i 有关引脚的输入输 出波形示意图，其中p i n l 3 是p c i i 的输出端，滤波后控制压控振荡器v c o ，p i n l 是锁定状态指示输出端，当两输入信号同相位时输出高电平，表示锁相环入锁。 本设计中相位比较器使用p c i i 。 另外，c d 4 0 4 6 的5 脚是压控振荡器封锁端。当该引脚输入高电平，v c o 输出封 锁：该引脚输入低电平，v c o 正常工作。一般使用中，5 脚接保护电路的输出。 p 譬群一f 一i v c 曼篓仝! 乒一i pn = 西 、l 一 图4 - 1 0c d 4 0 4 6 有关引脚的输入输出电压波形 2 频率跟踪电路分析 图4 - 1 1 是频率跟踪电路的结构图。 图4 - 1 1 频率跟踪电路 3 9 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 电压、电流采样电路 电流的检测可以利用电阻元件或者霍尔元件。但电阻或分流器检测电流， 前者损耗大，易受干扰，很难做到高精度，只用于小功率，后者体积大；用霍尔 元件虽然精度高，但成本太高。电流互感器介于两者之间，本设计使用交流电流 互感器采样电流。由于超声波电机工作频率较高，所以电流互感器的磁芯材料采 用环形铁氧体，初级线圈n 绕一匝或数匝，而次级线圈n ：匝数较多，初级线圈流 过正弦交流电流i 。时，次级感应电压产生一个电流i 。根据安培环路定律有： f i l f 2 n 2 = 聊 ( 4 一1 0 ) 式中，h 为磁芯中磁场强度，为磁芯平均磁路长度，i l 和i 2 为初级和次级瞬时电 流。 理想情况下互感器的激励电感无穷大，激磁电流忽略不计，次级反射到初级 的电流有效值，为： 仁等l ( 4 - 1 1 ) 如图4 一l l 中所示，首先通过功率电阻将采样电流信号变换成电压信号，只 要调节功率电阻的阻值就可以方便地改变电压信号与采样电流的比例。采样电流 有谐波，不能直接使用，要经过r c 滤波。 电压采样首先用电压互感器采样电压，其原理跟一般的变压器原理一样， 初级反射到次级的电压有效值u ，为： 吣铷p c ( 4 - 1 2 ) 电压采样的过程与电流采样相似，电压采样后也要由滤波电路进行滤波，如 图4 1 1 中所示。 ( 2 ) 过零比较电路 图4 - 1 1 中l m 3 3 9 构成过零比较电路，把正弦波的电压、电流信号转变为反 映电压、电流相位的方波。为了避免电压比较器差模输入端承受过大的差模电压 而损坏比较器，以及避免输入端处于饱和状态而影响快速响应特性，可在差模输 入端并联两个极性相反的二极管。当输入电压过零时，两个二极管均处于截止状 浙江大学硕士学位论文 态，比较器完成过零电压的比较。电流由过零比较电路整形后还要经过移相电路 移相，关于移相电路稍后叙述。 ( 3 ) 锁相性能的改善 锁相环从启动到环路锁定，所经历的时间t 称为捕捉时间，环路能够捕捉成 功的最大初始频差称为捕捉带。环路对输入信号相位的捕捉时间对超声波电机的 起动有很大的影响，这里有必要对锁相环路的捕捉性能作一些改善。 一般，锁相环的捕捉带是指依靠环路自身的非线性进行牵引捕捉，这种捕捉 的捕捉带有限，捕捉时间也相对较长。此处采用在压控振荡器v c o 上加扫描电压 的方法改善锁相性能。 如图4 - 1 1 中所示，在v c o 上加扫描电压，使其频率在一定的范围内扫描。 为确保一定的扫描捕捉概率，要对扫描速度应加以限制。为保证9 0 以上的扫描 捕捉概率，扫描速度应低于下列值旧1 = 熹2 ( h z s ) ( 4 _ i j ) 嘞一丽邝， h 式中，是捕捉概率达到9 0 时的扫描速率；p = u 2 , 2 n o b ，为有效捕获，应大 于7 d b ；n o 是输入加性噪声的单边谱密度；是输入信号的幅度；4 是环路单 边等效噪声带宽，它决定了环路过滤加性噪声性能的好坏：彩。为环路自然频率； 区间取值系数d 按下式计算： d ：卜一黄欹1 ) ( 4 _ 1 4 ) 【0( 孝1 ) 式中，善为环路衰减系数，善0 5 。 实际中，采取理论估算与实验相结合的方法来选取扫描电阻r 6 与电容c 3 。 c d 4 0 4 6 的9 脚是压控振荡器的电压控制端，当开关s 1 由r 5 拨向r 6 时，电容c 3 相当于短路，9 脚所加电压最高，v c o 输出最高频率，之后随着电容c 3 的充电， 9 脚电压逐渐降低，v c o 从最高频率滑向最低频率。适当选择参数，使得超声波 电机的最佳工作频率处于最高频率与最低频率之间，则当v c o 的振荡频率扫描至 电机最佳工作频率时，环路将被锁定。环路一旦锁定后，二极管d l 将附加扫描 4 1 浙江大学硕士学位论文 电路与低通滤波电路隔离，锁相环工作于入锁状态。可见，只要合理设计参数， 锁相环路的动态捕捉性就能大大提高，电机就能顺利起动。 3 移相电路 移相电路要能在超声波电机运行过程中保持移相角度不变且可调，而电机运 行中其谐振频率会漂移，电源驱动频率也要随着漂移的谐振频率而变化，所以此 移相电路不能使用r c 移相或电桥移相。在此提出下面一种方案：采样电流i 由 过零检测电路变换成矩形波信号；将此矩形波信号变成同频同相且幅值恒定的三 角波；三角波通过电压比较器移相，这样能保证电机运行过程中移相角维持在某 个值基本不变，同时可以通过调节电压比较器比较电压来调节移相角的大小，示 意图如图4 一1 2 。 u 矩形波 厂 厂 广 。 三角波 翘翘秘翘 移栩后矩形波 7 厂厂厂厂 t 比较电压 t t 图4 1 2 移相不意图 图4 - 1 3 是移相电路，图中l m 3 3 1 构成f v 转换电路，其输出电压与电流信 号频率成正比；t l 0 8 4 a 、b 构成同相积分电路：电流i 经与非门4 0 9 3 反相后控 制三极管，当电流为高电平时，三极管断开，积分电容c 1 5 充电，当电流为低电 平时，三极管导通，积分电容c 1 5 放电。电机运行中其谐振频率不会突变，所以 对积分电路来说，积分电压与频率成正比，积分时间与频率成反比，这样得到的 三角波的幅值就基本不变；然后再由电压比较器移相，移相的大小也就与频率无 关。 浙江大学硕士学位论文 图4 1 3 移相电路 4 3 2 保护电路 功率开关器件是功率变换电路的核心，与电容和磁性元件相比，功率器件过 载能力较弱。当电路发生过电流和过电压时，若没有在较短的时间内采取适当的 保护措施，功率器件容易损坏，从而致使整个驱动电源系统不能工作。因此一个 完备的超声电源系统应该具有必要的过流、过热等保护环节。 i 过流保护 过流保护电路的主要任务是检测电机电流的变化，并将其反馈到c d 4 0 4 6 的 5 脚，在电流较大时可靠地关断系统，以避免器件和电机的损坏，其电路如图4 - 1 4 所示。图中采样电流经半波整流、滤波后变换为一正电平，接至电压比较器的正 端，与负端参考电压比较，比较器的输出接到c d 4 0 4 6 的5 脚。 浙江大学硕士学位论文 4 1 4 电流保护电路 2 过热保护 超声波电机要能长时间连续可靠的工作，对于电源电路中功率开关器件的散 热及过热检测保护就显得很必要。一般功率器件由散热器散热，然而当周围环境 温度十分恶劣或器件与散热器间接触不良时，就必须有过热电路的保护。可以将 正温度系数的热敏电阻接在变压器原边绕组中，随着变压器绕组温度的升高，热 敏电阻的阻值增大，使电阻两端电压增大，采用与过流保护相似的电路便能实现 过热保护的功能。 4 4 本章小结 本章介绍了一种具有频率自动跟踪功能的超声波电机驱动电源的设计过程。 首先分析说明了超声波电机驱动电源的特点与要求。第二节中介绍了电机开环驱 动电路的设计，其中开关功率放大电路采用双推挽电路的形式。最后是电机频率 跟踪电路及保护电路的设计，该驱动源的频率跟踪是采取保持电机驱动电压、电 流间相位差恒定不变的方法来实现的。 浙江大学硕士学位论丈 第五章实验结果