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2022-09-17 13:46:14 风筒    电机    

超声波电机谐振升压式驱动技术研究

超声波电机谐振升压式驱动技术研究 2011年12月09日 来源: 摘 要:该文通过超声波电机的等效电路,提出了无变压器驱动的谐振升压式驱动电路。对该电路进行理论分析和PSPICE仿真后,得出输出电压同驱动占空比的关系近似为线性,同串联电感的平方根成反比,并通过实验对仿真结果进行了验证。应用此电路驱动定子直径为30mm的环形行波超声波电机,证明此电路在超声波电机的小功率驱动控制中具有实用性和可靠性。与目前通常采用变压器的超声波电机控制器相比,使用该电路装置的体积比原来至少可以减少1/3,重量减轻1/2,制作成本降低1/5,便于集成化生产。 关键词:超声波电机;谐振升压;等效电路;占空比 1 引言 超声波电机(Ultrasonic Motor,简称USM) 一般由定子(由压电陶瓷和金属弹性材料制成)和转子(摩擦材料及金属制成)组成[1]。在定子压电振子上外施高频交流电压激励时,利用压电陶瓷逆压电效应产生的超声振动,将这种振动通过定子和转子间的摩擦耦合来直接驱动转子旋转[1]。其工作原理完全不同于电磁电机,具有低速大转矩、功率密度大,无电磁干扰和噪声,结构简单紧凑,形式灵活多样等特点,国外已经在军事航天、办公自动化、工业控制等领域取得了良好的应用,其中,佳能照相机将超声波电机用于驱动光学镜头,即是成功应用的例子。 要驱动超声波电机,压电陶瓷就需要由大振幅的高频正弦电压来激励。实现方法有两种:一种是采用正弦波信号直接放大输入超声波电机,但放大器需要高电压供电,结构复杂,驱动电源效率低,而且就驱动超声波电机而言,前级的正弦波也没有必要;另一种是利用变压器来实现电压升压、能量传递、阻抗匹配和电源隔离,这种方法目前在行波型超声波电机中使用比较广泛,但变压器必须与不同型号的超声波电机匹配,通用性差,而且变压器的存在极大地阻碍了电源装置的小型化,影响超声波电机在特定场合的应用和产品开发。当产品要求体积小、重量轻(如照相机、便携设备等)时,使用变压器的超声波电机驱动控制装置几乎是不可能的。基于超声波电机的特性,利用电路谐振实现无变压器驱动超声波电机,解决了这一工程问题。2 超声波电机的等效电路 超声波电机在谐振频率附近,可以用一个等效电路来代替[2],如图1所示。其中Cd是压电陶瓷介电性能引起的夹持电容,Lm是定子质量效应的等效电感,Cm是定子弹性效应的等效电容,Rm是定子内机械损耗的等效电阻。这些参数可以通过测量获得(如应用HP4192阻抗特性分析仪等),本文中的参数是通过定子导纳的奈奎斯特图和波特图[3]计算获得的。 为分析方便,在不改变电路外特性的前提下,可将图1等效变换成图2[3]。变换后的超声波电机等效电路简化为RC并联电路,其各参数间的关系如下: 3 谐振升压式驱动电路3.1 基本电路图 自激振荡的电路如图3所示,其中方框内的升压主电路如图4所示[4,5],L1为电感。假设L1、Cd构成谐振电路,Lm、Cm、Rm串联看作负载[6],则电感L1、开关SW1和固有电容Cd构成一升压电路。当SW1闭合时,L1通过电源储能,当SW1断开时,L1的电能部分释放到Cd上。由于LC谐振,在USM的输入端产生高电压uc,通过开关SW1的切换,在超声波电机的输入端就可以获得高电压周期信号。图4中,L1与Cd组成的LC谐振电路完成升压和滤波的功能,使USM获得高频电压驱动信号。图中二极管D为整流元件,阻止电流回流,使驱动电压能够保持在一个比较高的电压水平上。由下面分析可知,满足一定条件时,D可以省略。电感值可由 估算得到,也可由实验获得,当电感值无法调试合适时,可在开关间并联电容,以调节电感值。3.2 全电路理论分析 假设t=t0时,i=

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