一种用于超声波电机的LC谐振驱动电路制造技术

本实用新型专利技术涉及一种用于超声波电机的LC谐振驱动电路，本实用新型专利技术根据超声波电机的容性负载特性，通过串联匹配电感，构成由超声波电机本体参与的LC谐振升压的无变压器式驱动电路。进一步，本实用新型专利技术提出了固定所有电路参数，只改变驱动信号频率、占空比和谐振周波数的方法，实现对超声波电机的驱动控制。采用USR30型超声波电机，进行了实验验证。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及超声波电机，尤其涉及超声波电机的驱动控制

技术介绍
超声波电机是近二十年来出现的一种全新概念的驱动装置，和传统的电磁电机相t匕，它具有功率密度大、无电磁干扰、低速大转矩、动作响应快、运行无噪声、无输入自锁等特点，这些优点使得超声波电机在航空航天、机器人、精密加工设备、医疗设备、生物工程等高端运动控制领域及家用电器、汽车电子等普通运动控制领域都有着广泛的应用前景。目前，超声波电机驱动控制器的体积较大，在一些应用中受到很大的限制。文献根据电机的容性负载特性，通过简化超声波电机的等效电路，提出了利用LC谐振的无变压器式驱动电路，并进行了仿真分析。文献研究了谐振驱动电路的设计方法，说明了输出信号中各次谐波幅值和能量比与驱动信号占空比和谐振周期之间的关系。上述文献的研究为超声波电机功率谐振式驱动电路的研究提供了较好基础，但所给出的驱动电路只能使电机工作在预先设计的确定工作点，电机驱动电压频率等可控变量均不可调节，严重限制了该类电路的实际应用。文献在可调可控方面进行了初步探索，对选择不同的电阻、电感值以实现频率离线调节进行了分析。但由于电路中的电感是功率电感，变电感值不易在线准确实现，功率谐振式驱动电路的可调可控仍有待进一步研究。相关参考文献如下顾菊平，胡敏强，石斌，等.超声波电机谐振升压式驱动技术研究，中国电机工程学报，2002，22 (8) :49-52.李华峰，赵淳生.基于LC谐振的超声电机驱动器的研究，中国电机工程学报，2005,25(23) :144-148.甘云华，金龙，王心坚，等.超声波电机自激振荡驱动电路的变频控制特性，中国电机工程学报，2008，28 (9) :93-96.
技术实现思路
本技术的目的是提供一种用于超声波电机的LC谐振驱动电路，用以解决现有驱动控制方法的效果不佳的问题。为实现上述目的，本技术的电路方案是一种用于超声波电机的LC谐振驱动电路，驱动超声波电机的A、B两相桥式驱动电路的交流侧均串设有串联匹配电感，所述A、B两相桥式驱动电路分别设置有用于调节对应相桥式驱动电路直流母线电压的Boost升压电路，所述Boost升压电路的功率开关管串联有一个二极管，所述二极管正极连接所述串联匹配电感L与超声波电机等效电容C的串联点上。所述A、B两相桥式驱动电路的开关管为M0SFET。本技术根据超声波电机的容性负载特性，通过串联匹配电感，构成由超声波电机本体参与的LC谐振升压的无变压器式驱动电路。进一步，本技术提出了固定所有电路参数，只改变驱动信号频率、占空比和谐振周波数的方法，实现对超声波电机的驱动控制。采用USR30型超声波电机，进行了实验验证。附图说明图I是LC谐振驱动电路；图2是电机谐振频率与开关驱动频率的关系；图3是不同周波、不同占空比的仿真波形；图4是超声波电机驱动控制结构框图；图5是B相40 %占空比的驱动波形与谐振波形；图6是两相实测波形。具体实施方式以下结合附图对本技术做进一步详细的说明。驱动超声波电机的A、B两相桥式驱动电路的交流侧均串设有串联匹配电感L，所述A、B两相桥式驱动电路分别设置有用于调节对应相桥式驱动电路直流母线电压的Boost升压电路，其特征在于，所述Boost升压电路的功率开关管Q串联有一个二极管D1，二极管Dl正极连接所述串联匹配电感L与电容C的串联点上。超声波电机(USM)在谐振频率附近，可以认为呈容性，即可等效为一个电容C。本 技术所述Boost升压LC谐振驱动电路如图I所示。由于MOSFET器件Q内部有一个反并联体二极管，在电容C(即超声波电机)电压反相时会通过此二极管放电，使得输出电压只有正半波。为了防止这种情况出现，在电路中串联一个超快恢复二极管，使得在开关断开期间LC能形成完整的振荡。开关是指功率开关管Q。电路工作原理为当开关Q导通时，电源向电感L储能；开关断开时，电感中储存的能量向电容C释放并与其谐振，整个电路为带初始条件的LC串联谐振电路。Boost升压单元提升电压的关键原因有两个一是电感L储能后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住，因此占空比的选择对输出电压的幅值和有效值起关键作用。串联匹配电感的选择由下式确定 ⑴式中，k为在关断期间谐振的整周波个数，D为占空比，T为开关周期。一旦匹配电感选定，LC谐振频率就固定不变，通过调整驱动MOSFET的驱动信号频率来改变谐振波形的占空比，不连续正弦波的等效效应发生改变，从而调节电机转速，达到控制目的。开关驱动信号频率f与电机谐振频率fUSK关系如下式(参看图2)f = fUSR^^(2)根据式(1)、(2)可以看出，调节开关信号占空比D、开关信号频率f和导通周波数k可以实现超声波电机的调速控制。将上式等效变换为 /= =kri^(3)要保持上式成立，只需改变f、D、k中的两个参数值即可。有三种可能的调速方法。第一种保持D不变，调节f和k。这种方法频率变化范围和幅度较大，从几kHz到几十kHz不等，且调速范围小，因为周波数越多失真越严重。第二种保持k不变，调节f 和D。这种方法可以实现连续调速，精度高。第三种保持f 不变，调节k和D。这种方法计算得到的占空比可能是负值，不符合实际情况。可见，方法二是理想的调速方式。以第二种方法为例，利用MiltisimlO进行仿真测试，分析所得波形和数据，得出以下结论尽量选择占空比小、周波数少的信号，以保证足够的升压能力和减小非线性的影响。波形如图3所示。下面进行实验验证。实验电路结构如图4所示。采用通用PWM发生芯片TL494产生两路频率和脉宽均可调的信号PWMl和PWM2，经过由双上升沿D触发器⑶4013构成的二分频电路，生成两相四路互差90°的PWM信号，经专用MOSFET驱动芯片IR4427放大，驱动 MOSFET工作，从而完成由超声波电机本体参与的Boost升压LC谐振，以达到驱动控制超声波电机运行的目的。因为电机等效电容是在静态下换算得到的，而在电机运行时，动态电容无法直接测量，所以根据测量数据，修正匹配电感参数，得到满足谐振频率的匹配电感。表I为测得的等效电容端电压峰峰值Vpp (V)、电压有效值Vrms (V)、驱动频率(kHz)和换算得到的谐振频率(kHz)。图5为实测的B相两个周波40%占空比的驱动波形和谐振波形。由于在换算等效电容时忽略了其他参数，仿真测试时就没有考虑电阻等其他参数的影响，所以实验得到的波形不是等幅振荡的，而是有衰减的。图6为实测的电机两相端电压谐振波形。由测量参数和波形可以看出，为使电机有效的运行，可选择两个周波占空比为稍大的谐振频率，以保证足够的谐振频率和电压有效值。表I两相等效电容端实验测量数据权利要求1.一种用于超声波电机的LC谐振驱动电路，驱动超声波电机的A、B两相桥式驱动电路的交流侧均串设有串联匹配电感，所述A、B两相桥式驱动电路分别设置有用于调节对应相桥式驱动电路直流母线电压的Boost升压电路，其特征在于，所述Boost升压电路的功率开关管串联有ー个ニ极管，所述ニ极管正极连接所述串联匹配电感L与超声波电机等效电容C的串联点上。2.根据权利要求I所述的ー种用于超声波电机的LC谐振驱动电路，其特征在于，所述A、B两相桥式驱动电路的开关管为M0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：史敬灼，张瑞，刘兆魁，石静，尤冬梅，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：实用新型
国别省市：