行波型超声波电机PWM驱动控制系统研究

1、行波型超声波电机PWM 驱动控制系统研究夏长亮, 郑尧, 史婷娜(天津大学, 天津300072摘要:针对行波型超声波电机的驱动特点和要求, 结合脉宽调制技术(PWM , 研制出一套适合于行波型超声波电机的PWM 驱动2控制系统, 该系统采用变频调速方式对电机进行闭环控制。实验结果表明, PWM 驱动2控制系统的性能稳定、可靠, 是行波型超声波电机驱动的一种新的探索。关键词:超声波电动机; 脉宽调制; 驱动控制系统中图分类号:TM32TN787. 2文献标识码:A文章编号:1000-100X (2001 03-0014-03Study on PWM Driving 2Controlling Sy

2、stem of T raveling W ave Type U ltrasonic MotorXIA Chang 2liang , ZHEN G yao , SHI Ting 2na(Tianjin U niversity , Tianjin 300072, China Abstract :Based on the consideration of the drive characteristic and re quirement of the traveling ultrasonic motor , a PWM driving 2controlling system is presented

3、 by using the technique of Pulse system im 2plementes closed 2loop control of the motor by adjusting the of is that the PWM driving 2controlling system can work steadily and reliably. It to wave type ultra 2sonic motor.K eyw ords :ultrasonic motor ; PWM ; driving 21前言机, 效值相等、90的交流电, 利用压电陶瓷的逆压电效应, 使压

4、电陶瓷起振并带动定子环一起振动, 再通过定、转子之间的摩擦力驱动转子旋转1,2。根据行波型超声波电机自身工作需要, 其驱动2控制系统应满足下列条件:(1 需输出两相频率为超声波频率(20kHz 以上 、相位相差90的交流电;(2 通过调节两相输出交流电的相位差, 使其中一相超前或滞后另一相90, 实现电机的正、反转控制;(3 为满足电机调速要求, 可选择调压、调频等控制方式, 且要求连续可调;(4 应采用带有反馈检测环节的闭环系统, 以适应因温度变化所造成的电机谐振点的漂移。针对行波型超声波电机的驱动特点和要求, 将脉宽调制技术应用于行波型超声波电机中, 研制出一套PWM 驱动2控制系统。基金

5、项目:天津市自然科学基金资助项目(993700611 收稿日期:2001-02-05定稿日期:2001-04-06作者简介:夏长亮(19682 , 男, 博士, 副教授, 研究方向为电机控制及电力电子技术。2驱动2控制系统的构成行波型超声波电机PWM 驱动2控制系统外部输入为12V 的直流电, 输出为两相互差90的超声波频率的交流电, 图1为系统构成框图 。图1系统构成框图2. 1频率可调的信号产生电路由于对电机有变速要求, 通过改变输入电机的交流电的频率来改变定子环的振动情况, 从而达到调速目的。频率可调的信号产生电路是由以N E555定时器构成的多谐振荡器组成, 其电路如图2所示。由多谐振

6、荡器产生频率可调的方波信号, 作为时钟脉冲传输给环形计数器, 脉冲频率为:f 0=0. 7R A +2(R B +R C C 多谐振荡器输出脉冲频率f 0为超声波电机所需两相交流电频率的4倍, 因此, 通过改变多谐振荡器输出脉冲的频率, 即可改变电机的工作频率, 实现电机的调速。把多谐振荡器产生的时钟脉冲加到环形计数器的触发端, 则每输入一个脉冲, 输出的四个管脚的状41第35卷第3期2001年6月电力电子技术Power Electronics Vol. 35, No. 3J une ,2001态就一起变动一次, 且依次相差90, 即自动地具有了鉴相的功能。取其中两路互差90的输出信号, 分别

7、传输到低通有源滤波器, 得到同频率的两路互差90的正弦信号。环形计数器输出端的数字左、右移过程正好对应于超声波电机的正、反转3。正弦信号经过整流、反相, 即可得到PWM 调制信号 。图2多谐振荡器电路2. 2PWM 波的产生PWM 波产生电路如图3, 。C 1两端的锯齿波和3、4管脚控制信号进行比较后完成。根据TL494的特性, 在4管脚加一正弦信号, 则输出脉冲宽度就按SPWM 波变化。通过选择R 3 、C 1来改变作为载 波的锯齿波的频率, 即可改变每组SPWM 波所含脉冲个数4。图3PWM 波产生电路锯齿波与调制信号进行脉宽调制的过程如图4所示。两路互差90的调制信号分别经过脉宽调制后,

8、 即可得两路互差90的 SPWM 波。由于逆变主回路采用两路推挽结构, 所以SPWM 信号还必须进行分相, 以其中一路信号为例, 经分相后所得波形如图5所示。图4PWM 波调制过程2. 3, 其电路如。电路的输出采用输出变压器与负载相耦合, 改变输出变压器的匝数比可使负载成为放大器要求的最佳负载, 以保证功率管(MOSFET 工作在最佳运用状态。图6开关逆变主电路2. 4 反馈电路超声波电机在工作中, 由于压电陶瓷的谐振点会随温度的变化发生漂移, 因此, 应引入反馈, 采用闭环控制, 使电机保持稳定的工作状态。因压电效应的作用, 在超声波电机的定子环上, 可取一片压电片作为传感器, 通过检测这

9、一压电片上由压电振动所产生的电压, 来监测电机的工作状态1。反馈电路主要由反馈电压采样器和积分器组成, 如图7所示。反馈信号输出到N E555集成片的电压控制端。由多谐振荡器的工作原理可知, 积分器输出的微小变化会使振荡频率产生一个很小的增量, 从而达到51行波型超声波电机PWM 驱动控制系统研究自动跟踪频率的作用 。图7反馈电路3实验结果利用一台外径为60mm 的行波型超声波电机, 对上述PWM 驱动2控制系统进行实验验证。电机技术指标为:输入电压:12V ; 额定功率:3W ; 额定电流2. 5A ; 额定转数:90r/min ; 额定转矩:3. 2kg. cm ; 调速度范围:50100

10、r/min ; 使用温度范围:-1050。将驱动2 控制电路工作频率调整到电机定子环的谐振频率附近。脉宽调制后电压波形如图8所示。图8脉宽调制后电压波形行波型超声波电机的等效电路为容性电路,PWM 驱动2控制系统带上电机后电压波形如图9所示。图9带电机后电压波形4结论为检验温度变化对2控制系统性能, , , 完全适合于行波。:1夏长亮, 陈永校. 行波类环形超声波电动机及其变频控制J.电工电能新技术,1994(4 :510.2陈永校. 超声波电动机M .杭州:浙江大学出版社,1994.3夏长亮, 史婷娜, 陈永校. 行波型超声波电动机变频控制系统J.微电机,1995(2 :2831.4叶治政等

11、. 通用型PWM TL494在SPWM 电源中的应用J.电力电子技术,1993,27(2 :912.(上接第3页(1 有源钳位电路有效地降低了开关的电压应力;(2 零电压开关的实现明显减少了开关损耗,提高了变换器的效率;(3 能够得到较高的功率因数和较低的T HD 值。参考文献:1蔡宣三. 开关电源技术发展的几个问题J.电源世界.2000, (1 :25.2Watson R. et al. Utilization of an Clam p Circuit to Achieve S oft Switching in Flyback Converters C .IEEE PESC Rec. 1994:909916.3王聪. 软开关功率变换器及其应用M .北京:科学出版社,2000:111120.4Lee Y im 2Shu. et al. Adding Active Clamping and S oft Switching to Boost 2Flyback Single 2Stage Isolated Power 2Factor 2Corrected Power Supplies J .IEEE Trans. on PE. 1997,12:10171027.5Redl R. et al. A New Family of S