超声波电机推挽式驱动电路研究.pdf

电气传动 2 0 1 0年 第 4 0卷 第 2期 E L E C T R 1 C D R I V E 2 0 1 O V o 1 4 0 N o 2 超声波电机推挽式驱动电路研究 张 文字 李 弘炬 王秀玲 1 辽 宁科技 大 学 软 件 学院 辽 宁 鞍 山 1 1 4 0 5 1 2 西门子 中国 有 限公 司 北 京 1 0 0 1 0 2 3 天津普辰 电子工程有限公 司 天津 3 0 0 3 8 4 摘 要 目前 超声波电机驱动广泛采用推挽 式电路 主要 由于超声波 电机 内压电陶瓷材料的非 线性 使得 串联 电感 匹配 电路 的设计不易得到期望效果 在理论分 析的基础上 通 过实验研究 了不 同匹配 电感取值对超 声波电机运行性能 的影响 给出了超声波 电机 串联 电感匹配 电路的设计原则 指 出使 匹配电路呈容性 较为合 适 详细分析 了超声波电机驱动电路中的推挽 式变换器工作过程 有助于深 入了解超声波 电机驱动控制装置 的非线性特征 也有助于该装 置的合理设计 关 键词 超声波电机 驱动电路 串联匹配 推挽式变换器 中图分类号 TM3 2 文献标 识码 A S t u d y o n t h e Pu s h p ul l Dr i v i n g Ci r c u i t o f Ul t r a s o n i c M o t o r Z HANG We n y u LI Ho n g j u W ANG Xi u l i n g 1 S o f t wa r e C o l l e g e U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y L i a o n i n g An s h a n 1 1 4 0 5 1 L i a o n i n g C h i n a 2 Si e me n s C h i n a L t d Be i j i n g 1 0 0 1 0 2 C h i n a 3 7 S a n J i n Pu c h e n El e c t r o n i c En g i n e e rC O Lt d Ti a i n 3 0 0 3 8 4 C h i n a Abs t r a c t The p us h pu l l dr i v i ng c i r c ui t i s wi de l y us e d i n ul t r a s oni c mot o r dr i ve Be c au s e of t he n on l i ne ar i t y o f p i e z o c r y s t a l e x p e c t e f f e c t o f t h e i n d u c t a n c e s e r i e s c o mp e n s a t i o n i s n o t e a s y t O b e o b t a i n e d B a s e d o n t h e an a l y s i s i n t he or y t he i nf l u e nc e o f di f f e r e nt v a l u e of i nd uc t a nc e on t he u l t r a s o ni c mo t or S p e r f or ma nc e wa s s t u d i e d De s i g n p r i n c i p l e o f t h e i n d u c t a n c e s e r i e s c o mp e n s a t i o n c i r c u i t wa s g i v e n o u t a n d t h e r a t i o n a l i t y o f c a p a c i t i v e c o mp e n s a t i o n wa s a l s o i n d i c a t e d Th e o p e r a t i o n i n d e t a i l i n wh i c h t h e p u s h p u l l c o n v e r t o r i s u s e d i n u l t r a s o n i c mo t o r d r i v e wa s a n a l y z e d Th e a n a l y s i s wi l l h e l p t o ma k e r i g h t d e s i g n o f t h e c o n v e r t o r a n d a l s o wi l l h e l p t O u n d e r s t a n d t h e n o n l i n e a r i t y o f u l t r a s o n i c mo t o r d r i v i n g u n i t Ke y wo r d s u l t r a s o n i c mo t o r d r i v i n g c i r c u i t s e r i e s c o mp e n s a t i o n p u s h p u l l c o n v e r t o r 1 引 言 推挽式电路是开关电源一种基本电路形式口 常用于低输入 电压 的 D C D C开关 电源 该 电路若 不连接整流二极管 略去 中线不用 则在副边绕组 输出端得到的将是正负半波交变的交流方波电压 此时推挽式电路简化为 DC AC变换器 超声波电机 下文简写为 US M 驱动电路输 入 电压 通常 为低压 直流 1 2 V 或 2 4 V 而 US M 要 求驱动电压为交流 且峰峰值通常为几 百 V 目 前的 US M 驱动电路 中 广泛采用推 挽式电路作 为 DC A C升压 变换 器 推 挽 式变 换 器 的合 理设 计对提 高 US M 的驱 动控 制性 能具有 重要 意义 鹾一 作者简介 张文字 1 9 7 3 一 男 硕士 讲 师 E ma i l Z h a n g we n y u 8 5 1 8 1 2 6 c o m 7 2 张文宇 等 超声波 电机推挽式驱动 电路研 究 电气传 动 2 0 1 0年 第 4 O卷 第 2期 最大功率 为 目标 该设计方法应用于 US M 存 在 两方 面的 问 题 一 方 面 在传 输 最 大 功 率 时 电 路的效率是很低 的 另一方 面 对于常用 的两 相 US M 由于压 电陶瓷材料特性 的分散性 US M 定 子和压电陶瓷分布的不对称及其加工误差 US M 两 相 的 电 特 性 通 常是 不 一 致 的 很 难 保 证 US M 两相 串联 匹 配 电路 的工 作状 态 一致 文献 4 6 中 设计 电感 串联匹配电路使其 谐振频率低于 US M 机械谐振频率 和工作频率 串联匹配电感的加入 使得推挽式变换器 的负载 性质与该电感的取值相关 可以为感性 也可能为 容性 同时由于工作 方式有别 于传 统的 DC DC 应用 所以超声波 电机驱动 电路中的推挽式变换 器工 作过 程 较 为 复杂 存 在 一 些 不 同 的特 征 而 关于这一特殊的工作过程 还未有详细分析 本文 分析 了推 挽式 驱动 电路 中电感 串联 匹配 电路的设计方法 在理论与实验研究 的基础上给 出了匹配电路的设计原则 分析了推挽式变换器 的工作过程 指出超声波电机驱 动电路 中推挽式 变 换器 的设 计与 传统 开关 电 源有 差异 2 电感 串联 匹配的 实验研 究 文献 4 设计 串联匹配电感值使下式成立 r E 1 1 式中 L为串联匹配 电感值 C为 US M 等效 电容 值 f为工作频率 f E 为 L C串联匹配电路的谐振 频率 文献E 2 3 7 则满足下列关系 厂 2 式中 M 为 US M 机械谐振频率 根据式 2 进 行 US M 匹配 电路设计 的主要 目的是 减弱 由匹配 电路带 来 的控 制非 线性 分 析 L C串联电路 的谐振特性 曲线可知 为达 到这一 目的 也可 以令 厂 f 3 亦即 工作频率低于 L C电路谐振频率 L C电路 呈容性 同样可以避开幅频 相频特性变化率大的 频域 达到减弱控制非线性 的 目的 下面分别对 厂 E 和 厂 h f h f r f E f 具体的电感取值范 围取决 于压 电陶瓷非 线性 与驱动 匹配 电路 的相 互作 用 3 感性 负载 时变换器的工作过程 用 于 US M 驱动 的一 相推挽 式 变换 器 电路 如 图 4所 示 按 照 图 4中标 出 的电压 电流正方 向 忽略绕 组 电阻及 漏 磁 变 压 器 原 边绕 组 W 的 电 压 方程 可写 为 一 一 L M 4 Q Q 式 中 U l 为 原边绕 组 外 加 直流 电源 电压 i 为原 边 绕 组 电流 i z 为 副边 绕组 电流 L 为原 边绕 组 自 感 M 为原 副边 绕组之 问 的互 感 图 4推挽 式 变 换 器 电路 F i g 4 Pu s h p u l l c o n v e r t o r c i r c u i t 设计串联匹配电感 使推挽式变换器负载为 感性 测得变换器输出电压 电流波形如图 5所 示 电压超 前 于电 流 超前 的角度 略小 于 9 O 图 6给 出了 变 压器 原 边 绕 组 W 的 电压 电流 及 开 关元件 Q1 MO S F E T 栅极 驱动信号 的实 测波 形 为使图形清晰 图 6给出的栅极驱动信号波 形向下平移 了 2 0 V 即实际值应为图示值加 2 0 V 下文图形与此相同 不再重复说明 观察 图 6 在 Q 受 到 触发 之 前 绕 组 W 中 已经 存 在 电 流 且 电流方 向与 Q 导通 方 向相反 应 为 流过 反 并联二极管 D 的续 流电流 这表 明 在另 一原 7 4 边绕组 w 支路中的开关元件 Q 因触发信号结 束 而关断后 为维持变压器磁芯磁场变化的连续 性 D 在感应电压作用下导通 原流过 w 支路的 电流转 移到 W 支路 中 向 电源 回馈能 量 之 g ms 图 5 推挽式变换器实测波形 1 Fi g 5 Te s t e d wa v e f o r ms o f p u s h p ul l c o n v e r t o r 1 置 脚 避 脚 图 6 推挽式变换器实测波形 2 Fi g 6 Te s t e d wa v e f o r ms o f p u s h p ul l c o nv e r t o r 2 随着 续 流 过 程 的继 续 W 支路 中 的反 向 电 流 i 幅值逐 渐 减 小 此 时 w 端 电压 为 一 副 边绕组 电流 的微 分 d i d t 0 参 看 图 5 于是 由式 4 可 知 w 支路 中电流 的变化 率为 t 1 1 1 T dz x 一 M J f L 5 d t I d l 由图 6可以看出 在 i 仍为负值时 Q 栅极 驱动信号 变为高 电平 Q 受到触发 但 由于 i 仍为负值 D 维持导通 直至电流衰减为零 续流 过 程 结 束 D 与 Q 自然 换 流 D 零 电 流 关 断 Z C OF F Q 零 电流导通 Z C ON 随后 Q 导通 i 正 向线性增 大 变化 率 如式 2 直至 Q 栅极触 发信号结束 Q 关 断 wz 支路中的反并联二极管 D 导通续流 若减小栅极驱动信号 的占空 比 使 Q 栅极 驱动信号上升沿滞后于 D 续 流结束 时刻 则绕 组 w 续流结束后 在副边绕组 电流变化 的作用 下 使得 i 有继续增大变为正值的趋势 于是在 D 零电流关断后 w 支路中的反并联二极管 D z 导通续流 但由于电流幅值接近零 D 不完全导 通 随后 又 切 换 为 D 不 完 全 导 通 如 此 循 环 往 复 表现为变换器 与其 复杂 L C谐振负载之间的 耦合振荡 使原 副边绕组电压呈现出衰减振荡波 张文 宇 等 超 声波 电机推挽 式驱动 电路研 究 电气传动 2 0 1 0年 第 4 O卷 第 2 期 形 原边绕组 电流 i 亦 表现 为零值 附近 的衰减 振荡 在上 述感 性 负载 情 况 的工 作 过 程 中 由于 存 在原边绕组续流阶段 亦即存在无 功功率 的传递 过程 使得一个周期 中 变压器磁芯功率传输能力 的实际利用率下降 在上 述推 挽式 变 换 器 电路 中 由于 原 边 绕 组 存 在 续流 阶段 在 续 流 结束 之前 给 出 的触 发 信 号 并 不 能使 续 流 支 路 中 的 开 关 器 件 导 通 参 看 图 6 当占空比大于某一数值使得栅极驱动信号上升 沿 超前 于原 边绕 组 电流 正 向过 零 点 时 继 续 增 大 占空比将不影响电路工作状态 4 容性 负载时变换 器的工作过程 设计 串联匹配电感 使推挽式变换器负载为 容性 测得变换器输 出电压 电流波形如 图 7所 示 电流超前于 电压 超前的角度小于 9 O 图 7 所示电流波形与图 5有 明显 区别 但 同样能够使 US M 正 常工 作 如 图 7给 出 的 US M 孤 极 反 馈 电 压波 形所示 吝 脚 螽 脚 图 7推 挽 式 变 换 器 实 测 渡 形 3 F 7 Te s t e d wa v e f o r ms o f p us h p u l l c o nv e r t o r 3 图 8给出 了栅极驱动信号 占空 比接近 5 0 时 的实测 波形 可见 原 边 绕 组 电流 的 变化 过 程 较 感 性负 载时 复杂 观 察 图 7所 示变 压器 副边 绕组 电流 i 波形 对 应 于变压 器 输 出电压 为正 亦 即 原 边 w 绕组 通 电 的 区 间 起 始 阶 段 副 边 电流 逐 渐增大 有 d i d 0 i 的变化率 同式 5 意味 着 流过 W 的 电流 i 正 向增 大 如 图 8中时 间 段 1波形所示 随后 i 幅值开始下 降 有 d i d 0 由式 4 可得 i 的变化 率为 di l 一 V 一 M l 警I L t 6 此时 i 的变化趋势取决 于 V 与 M l d i d t l 的相对大小 图 8中时间段 2波形表明 对于实 验所用电路 存在 0 于是 i 又恢 复正 向增 大 变化 率 同式 5 如 图 8中时 间段 3波形 所示 分 析 了 i 变 化过 程 的 主要 特征 之 后 下 面 进 一 步确 定 推 挽 式 变 换 器 中各 开 关 元 件 的通 断顺 序 在原边绕组 w 支路 中的开关元件 Q 因触 发信号结束而关断后 D 导通续流 由于容性负 载情况下原边电流变化趋缓 不 同于感性负载情 况下的线性增大过程 所 以续 流电流幅值显著减 小 变 压器 原边 传递 的无 功功 率减 少 变压器 磁芯 利 用率 提高 因为续流 电流幅值小 续 流过程很 快结束 由于续流过程结束 时 Q 已受到触发 所 以在 D Z C OF F的 同 时 Q 随 之 Z C O N i 继 续 正 向增 大 随后根据前述分析 i 达到极大值并开始减 小 然后达到极小值 O 并 恢复增大趋势 直至 Q 因触发信号结束而关断 D 导通续流 若减小栅极 驱动信号 的 占空 比 使 Q 栅极 驱动信号上升沿滞 后于 D 续 流结束时刻 则与 感性负载时的情况相同 在 D 续流结束至 Q 受 到触发导通 的时间段内 电路工作状态表现为变 换器与其负载之 间的耦合振荡 Q 受到触发立 即导 通 其 后 的工作 过程 与 图 8 分 析 相 同 只是 随 着 占空 比逐渐 减 小 i 达 到 极 小值 之 后 恢 复 增 大 的时间逐渐减小 于是 Q 关断时 i 能够达到的 幅值逐渐减小 直至趋于零 此工作状态下有 Q ZCoFF 容性负载情况下 变压器原边传递无功功率 减 少 磁 芯利 用 率 提 高 同 时 电路 中铁 损 铜 损 等损耗 相 应 下 降 电 路 效 率 提 高 实验 表 明 US M 未旋 转静 态工 作条 件下 电路输 入 电流减少 4 0 电机旋转过程中 输入电流减少 2 0 关于占空 比调节 容性负载情况下不存在死 7 5 盟 电气传动 2 0 1 0年 第 4 O卷 第 2期 张文字 等 超 声波电机推挽式驱动 电路研 究 区问题 但是调节 占空 比与输出驱动 电压幅值变 化之间不是线性关系 当占空比数值较大 时 占 空比变化对输 出电压幅值的影响较小 5 结 论 本 文分 析了推 挽式驱 动 电路 中电感 串联 匹配 电路 的设 计方 法 分 析 了推 挽 式变 换 器 的 工作 过 程 得 到结论 如下 1 为减少匹配电感损耗 提高驱动 电路效率 应选择 较小的匹配 电感值 为减 弱由匹 配电路带来 的控制非线性 应选择匹配电感值使工作频率偏离 L C电路谐振 频 率 越远 越 好 为增 大 US M 端 电压 幅值的调节范围 提高电路功率 因数 应选择匹配 电感值使工作频率尽量靠近 L C电路谐振频率 实 际应用中 需根据特定的性能要求 折衷考虑上述 设计原则 一般情况下 可选择匹配电感值使工作 频率小于 L C谐振频率及电容电压峰值频率 2 用 于超 声 波 电机 驱动 的推挽 式 变换 器 其 工作过 程不 同于通 常 的推 挽式开关 电源 3 感 性 负载 情况 变 压 器原 边 绕组 传 递 的无 功功率较大 磁芯利用率下降 同时 开关器件栅 极驱动信号的占空比调节作用存在死区 容性负 载情况 变压器 原边 电流变 化趋缓 磁 芯磁密 变化 幅度减小 磁芯利用率提高 电路效率提高 同时 占空 比调 节 的控制作 用具 有非线性 特征 4 推 挽式 变换 器 的设 计 主 要 是变 压 器 的设 计 变压器设计时 应先根据负载性质确定其工 作 过程 然后进 行设 计 本文分 析表 明 无论 感性 或容性负载情况下 用于 US M 驱 动的推挽式变 换器均存在原边续流过程 变压器的设计应考虑 这 一点 根据 实际 负载情 况 采用 小 于实际值 的最 大 占空比数值做为设计依据 以充分利用磁芯 参考文献 杨旭 裴云庆 王兆安 开关 电源技术 M 北京 机械 工 业出版社 2 0 0 4 鲍惠善 压 电换能器的动态匹配E J 应用声学 1 9 9 8 1 7 2 1 6 2 0 胡敏强 金龙 顾菊平 超声 波电 机原 理与设 计 M 北 京 科学出版社 2 0 0 5 Fu r u y a S I M a r u h a s h i T I z u n o Y e t a1 Lo a d a d a p t i v e Fr e q u e n c y Tr a c k i n g Co n t r o l I mp l e me n t a t i o n o f Two p h a s e Re s o n a n t I n v e r t e r f o r Ul t r a s o n i c Mo t o r J I E EE Tr a n s a c t i o n s o n P o we r El e c t r o n i c s 1 9 9 2 7 3 5 4 2 5 5 0 Li n F J Wa i R J Le e C C Fu z z y Ne u r a l Ne t wo r k Po s i t i o n Co n t r o l l e r f o r Ul t r a s o n i c M o t o r Dr i v e Us i ng P u s h p u l l DC D c C o n v e r t e r J I E E P r o c e e d i n g s C o n t r o l Th e o r y a n d Ap p l i c a t i o n s 1 9 9 9 1 4 6 1 9 9 1 0 7 Li n F J Fu z z y Ad a p t i v e Mo d e l f o l l o wi ng Po s i t i o n Co n t r o l f o r Ul t r a s o n i c Mo t o r J I E E