【《行波超声电机驱动电路模型构建案例分析》4000字】

行波超声电机驱动电路模型构建案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u15551行波超声电机驱动电路模型构建案例分析 1134761.1行波超声电机驱动电路设计 150501.1.1推挽逆变电路 2162141.1.2匹配电路 2190291.2超声电机驱动电路匹配电感参数设计 316821.2.1行波超声电机串联电感匹配方式 4261411.2.2行波超声电机LLCC谐振电路匹配方式 4181511.2.3超声电机匹配电感设计流程 6127251.3行波超声电机驱动电路仿真模型建立 6264901.1.1超声电机单相驱动电路仿真模型[15] 7190921.1.2超声电机两相驱动电路仿真模型 8178781.4行波超声电机匹配电感仿真分析 11186871.4.1串联匹配电感仿真分析 11277781.4.2LLCC谐振电路匹配电感仿真分析 1513311.5行波超声电机驱动特性分析 15在超声电机的驱动控制系统设计中，最重要的是建立超声电机驱动电路模型及进行驱动特性分析。本章针对超声电机存在的非线性和时变特性，基于两相超声电机等效电路模型，选择电感匹配方式，进行匹配电感参数设计，对超声电机驱动特性进行仿真分析，验证超声电机驱动电路模型的有效性。1.1行波超声电机驱动电路设计目前，驱动电路位于主电路和控制电路之间，可以控制电路地信号进行放大，驱动电路结构形式多样。有推挽逆变电路、双极性晶体管驱动电路、恒流驱动电路等多种形式。。通过对比分析可知，推挽逆变电路[11]前置驱动电路非常简单，抗干扰能力强。本文驱动电路采用推挽逆变结构形式，如图1.1所示。脉冲宽度调制（PWM）信号产生单元产生四路PWM信号。由于PWM元产生的信号较小，需要经过放大后驱动开关器件（MOSFET）地工作，通过高频变压器将电压幅值放大，再经过匹配电路滤去高次谐波，将输出的方波信号转化为正弦信号以驱动超声电机旋转。每一个设计模块如下图1.1超声电机驱动电路结构框图1.1.1推挽逆变电路推挽逆变电路原理如图1.2所示[22]。在此采用两相推挽逆变电路作为超声电机功放电路。推挽逆变电路是由PWM信号、MOSFET和高频变压器T组成在输入两路控制MOSFET导通截止的PWM信号，要求这两路PWM信号互补并带一定死区时间，以保证不同时导通。随着两个MOSFET交替导通，在高频变压器Ｔ原边两个绕组分别形成相位相反的交流信号，最终交流信号在高频变压器Ｔ的副边感应输出。图1.2推挽逆变驱动电路1.1.2匹配电路当电机工作在串联谐振频率附近时，整个电机表现为容性阻抗。可以通过电感匹配方式抵消容性分量给整个电路带来的不利影响。因为推挽逆变电路输出信号的波形为方波信号，也需经过匹配电路使方波信号转化为正弦信号。匹配电路主要有三个功能：功率匹配、滤波和调谐匹配。①功率匹配。通过功率匹配减小无功损耗。②滤波。可以滤除推挽逆变电路输出的高频方波信号，得到超声电机需要的正弦波信号，减小对超声电机驱动电路稳定性的影响③调谐匹配。使驱动电路频率和超声电机振动频率相近，改善驱动电路与电机之间的耦合程度，将电能高效地传给电机。匹配电路方式可使用串联匹配、并联匹配、变压器匹配、电感－电容匹配。这些匹配方式各有利弊，其中串联匹配滤波效果较好，电路设计简单，但难以应用到复杂建模系统中；并联匹配滤波性能较差，不能有效地滤除高次谐波分量，得不到电路输出需要的正弦波形；变压器匹配效率高，但变压器一旦设计完成就不能更改，通用性较差；电感－电容匹配方式是串联匹配和并联匹配折中的匹配方式，能够较好的抑制高次谐波分量和平衡容抗。串联匹配能滤除输出方波中的高频谐波分量，使电路灵活性较髙。1.2超声电机驱动电路匹配电感参数设计对比分析串联电感和LLCC谐振电路两种匹配方式，确定合适的匹配电感模型，为了方便分析，将等效电路转换为RC并联电路，如图1.3所示。图1.3超声电机等效电路转换Lm'=C=Cd−R=Rm+1.2.1行波超声电机串联电感匹配方式串联电感匹配方式结构如图1.4所示。图1.4串联电感匹配超声电机的输入阻抗为：Ze=R系统呈纯阻抗时，谐振匹配条件为：ωL=R2ωC匹配电感可以表示为：L=R2C系统的等效阻抗为：Z=R21+R1.2.2行波超声电机LLCC谐振电路匹配方式LLCC谐振电路结构如图1.5所示。图1.5LLCC谐振电路图1.5中，C为等效电容，R为等效电阻,Ls、Cs和Gv=Z∠Gv=arctanωL在式（1.8）中，令1RωLs−此时Gv=1谐振电路与超声电机系统总阻抗：Z=jωLm其中∠Zx=arctan1−ω2当∠Zx=∠ZC+Cs−根据式（1.10）、式（1.13），谐振电路的具体参数满足：ω2LsCs1.2.3超声电机匹配电感设计流程匹配电感的设计过程[13]主要包括匹配方式选择、经验公式求解和模型仿真分析等，其设计流程如图1.6所示。图1.6超声电机电感匹配设计流程图1.3行波超声电机驱动电路仿真模型建立用MATLAB/Simulink对超声电机驱动电路模型进行仿真，进而分析超声电机驱动特性。仿真框图如图1.7所示。图1.7超声电机等效电路仿真框图为了使输出信号更为精确，在此构建超声电机单相驱动电路仿真模型和两相驱动电路仿真模型，通过仿真对比分析，验证电路设计的合理性和匹配电路对输出信号的影响。1.1.1超声电机单相驱动电路仿真模型[15]用MATLAB/Simulink中的PowerSystem工具箱建立超声电机单相驱动电路模型，该模型由脉冲发生器ControlledVoltageSource模块、推挽逆变电路、匹配电感和超声电机等效电路模型构成。其中，ControlledVoltageSource模块作为逆变直流电源，MOSFET和高频变压器构成推挽逆变电路[29]。单相驱动模型仿真如图1.8所示图1.8超声电机单相驱动模型1.1.2超声电机两相驱动电路仿真模型根据图2.11超声电机两相等效电路模型，基于超声电机单相仿真模型，在此建立超声电机两相驱动电路仿真模型，如图1.9所示。在此设置驱动电路仿真参数为：Cd=9nF，Lm=0.1H，ro=150Ω，Cm=168pF。将PWM信号频率设为40kHz，占空比为40%，漏感参数为0，其他参数采用默认值。通过MATLAB对超声电机两相驱动电路进行仿真，得到输出电压波形图，如图1.10所示。图1.9超声电机两相等效电路Simulink仿真模型图1.10驱动电路输出电压波形图由图1.10可知，方波电压信号中的高次谐波经过电感和电机本身的滤波和抑制作用，就可以获得满足超声电机运行要求的正弦波电压信号，说明方波信号作为驱动源是可行的，搭建的驱动电路仿真模型能够很好的模拟超声电机驱动电路。1.4行波超声电机匹配电感仿真分析1.4.1串联匹配电感仿真分析根据式（1.6），将算出的串联电感值L=1.76mH输入到超声电机驱动电路仿真模型，得到超声电机单相输出电压波形，如图1.11所示。从图中可得，输出的波形为正弦波，波形较稳定。所以串联电感可以更好地进行单相电感匹配。图1.11L=1.76mH超声电机电机单相输出波形通过调整串联电感的参数，得出电压输出波形如图1.12所示。(a)L=0.5mH电压输出波形(b)L=1mH电压输出波形（c）L=2.2mh电压输出波形(d)L=2.76mH电压输出波形(e)L=3mH电压输出波形图1.12电感匹配变压器输出电压波形由仿真结果可以得到，调整匹配电感L，匹配电路输出电压波形会发生变化。根据图1.12中的电压输出波形来分析，匹配电感值过小时，滤波效果不理想；匹配电感值过大时，输出电压下降幅度大。当L=2.2mH时，输出电压最大。因此为了增大电压幅值的调节范围并输出理想的电压波形，匹配电感值应该较小。釆用两相超声电机驱动电路模型进行仿真，超声电机电压输出波形如图1.13所示。图1.13超声电机两相电压输出波形根据图1.13的波形图来看，超声电机两相电压幅值不同，且幅值相差较大，此时串联匹配方式会影响超声电机驱动控制性能，不能很好地作为超声电机驱动控制研究的方法。1.4.2LLCC谐振电路匹配电感仿真分析根据表1.1所示的超声电机参数和谐振电路参数，通过输入到超声电机驱动电路模型进行仿真分析，来验证LLCC谐振电路匹配方式可靠性，仿真结果如图1.14所示。表1.1超声电机及谐振电路参数f/kHzC/nFR/kΩLLC38-426-72-62.61.015图1.14电机两相电压输出波形根据图1.14可得出，采用LLCC谐振电路匹配方式，输出的波形为正弦波形，并且两相电压的幅值大小能够保持一致。因此，采用LLCC匹配方式能够解决用串联电感匹配方式时电压幅值不一致的问题。1.5行波超声电机驱动特性分析由仿真模型可得，不同频率时超声电机转速不同。超声电机负载转矩在0.1Nm~0.4Nm，驱动频率在40.65kHz（周期0.0000246s）-42.55kHz（周期0.0000235s）之间变化时的转速变化曲线如图1.15所示[17]。图1.15不同频率和负载下电机转速变化曲线根据图1.15，随着频率和负载转矩的增加，电机转速随之降低。当频率为40.65kHz（周期0.0000246s），负载转矩为0Nm、0.1Nm、0.2Nm、0.3Nm、0.4Nm时，电机转速分别为91rpm,、77rpm、60rpm、47rpm、39rpm。因此，为了增加输出负载转矩应减小频率[17]。根据仿真模型也可以获得不同电压相位差时的电机转速。当负载转矩在0Nm~0.4Nm变化，两路电压相位差取值范围为−π2~π图1.16不同相位差和负载下电机转速变化曲线从图1.16可以得到，随着电压相位差和负载转矩增加，电机转速降