一种新型超声电机的驱动电源设计

牛德森++李有光

摘 要：超声波电机需要工作在超声频域内，根据各种电机的不同结构型式，其驱动电源必须能够提供输出频率在20～100 kHz范围的高频电压，产生的两相电压为具有相同频率、电压幅值相同的正弦交流驱动电压，并且这两相电压具有一定的相位差，超声电机对电压幅值有很高的要求，必须在几百伏甚至上千伏。该文阐述了行波超声电机的特点及对驱动电源的要求，介绍了移相控制芯片UCC3895及移相控制策略的基本原理。最后通过实验对驱动效果进行了检验，得出了电机相位差与转速的关系曲线。

关键词：行波超声电机 移相控制 UCC3895 设计

中图分类号：TM356 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（a）-0001-02

超声波电机（简称USM）是一种新型电机，它不同于传统电机。由于压电材料具有逆压电的效应，超声电机应用这一原理将高频信号加到其内部定子上，从而使定子表面的质点产生有规律的椭圆轨迹运动，由定子和转子的摩擦作用带动电机旋转。超声波电机需要工作在超声频域内，根据各种电机的不同结构型式，其驱动电源必须能够提供输出频率在20～100 kHz范围的高频电压，产生的两相电压为具有相同频率、电压幅值相同的正弦交流驱动电压，并且这两相电压具有一定的相位差，超声电机对电压幅值有很高的要求，必须在几百伏甚至上千伏。这种新型电机具有一系列传统电机不可比拟的优势，比如其能量密度大、响应速度快、体积很小结构紧凑、低速大力矩、几乎不受电磁干扰的影响以及能够进行断电自锁等，因此近年来，超声电机已经在微型机机器人、航天精密仪器、家用电器控制系统、航空航天用特种电机等方面有了广泛的应用[1]。目前对超声波电机的控制量主要有3种：电压幅值控制，两相相位差大小的控制以及频率的控制。

1 行波超声电机的工作原理

通过信号发生电路产生在时间和空间分别相差1/4周期的2列相同频率、相等电压幅值的驻波信号，在超声电机的定子上合成相同频率、具有一定相位差的一列行波，从而可以带动电机运转。通过对2列正弦电压波的电压幅值进行精确控制，达到了对超声电机转速控制能够平滑过渡、精确控制的目的。该文采取了全桥移相控制的技术。信号发生电路产生2路相同频率、相位差为的信号，通过整形电路分别将其输入到2片UCC3895芯片中，其中每片UCC3895可以产生一路移相控制信号，用以对驱动芯片IR2110进行驱动，得以驱动主回路。同时驱动电路的设计还需进行匹配电感的工作，滤去电路中的高次谐波分量，产生2路相位差为正弦波信号，将其分别加载到超声电机的定子上，使得电机开始工作[2]。

由于超声电机压电材料负载表现为容性，区别于传统电机的感性或阻性特点，因此在驱动电源和电机之间必须加上匹配电路，用以改善驱动电压波形、减小电路中的高频谐波分量，同时可以提高驱动电路的效率，且能实现能量的较高转换，使超声电机具有足够的功率，避免激发出超声电机定子的非工作模态。所以该文采用移相控制技术对电机的电压幅值进行精确控制，即由调节移相角的大小角度的改变来控制输出电压的占空比[3]。

2 移相控制原理

全桥逆变原理如图1所示，移相控制的原理是：桥臂和轮流导通，各导通180°电角，桥臂和同理各导通180°电角。但和不是同时导通。比先导通一个角（移相角）。因为和分别先于和导通，所以称和为超前桥臂，和为滞后桥臂。

3 移相控制芯片UCC3895

UCC3895是美国TI公司针对移相控制方案推出的芯片。它的主要功能有：工作频率为500 kHz，芯片的工作电流5 mA，软启动/软关断时间可以调整，它可以从0%到 100%实现输出信号的相移控制，芯片内有7 MHz宽带的误差比较放大器，最高工作频率1 MHz[4]。

对UCC3895芯片主要做以下几方面的设计。

（1）信号同步。UCC3895的6脚为外部信号输入脚，在其输入同步时钟信号，相位差为。

（2）信号产生电路。逻辑信号产生电路是UCC3895的核心组成部分。UCC3895内部的D触发器对外部输入信号进行二分频，会产生2个相位差为180°互补的方波信号，两信号分别从OUTA和OUTB输出，芯片内部需要为这2个芯片同时设置死区时间。UCC3895芯片里的PWM方波比较器，比较所产生的波信号与误差放大器，最终输出一个方波信号。同时由芯片内部逻辑电路产生的2个相位差为180°互补的方波信号，分别从OUTC和OUTD输出，同理为其设置死区时间。此时OUTC以一个移相角先于OUTA导通，而OUTD同理也先于OUTB导通[5]。

（3）保护电路。输入脚12是UCC3895内部电流比较器的反相输入端。当检测到电路出现过流时，该芯片可以锁定输出信号，芯片进入软启动得以实现电路保护。

（4）死区时间。为防止同一桥臂的2个开关管同时导通，设置了死区时间：A-B死区设置脚（9脚）和C-D死区设置脚（10脚）。由式（1）可以确定同一桥臂的两个开关管死区时间，

（1）

式中，为9脚DLAYAB与信号地之间所接电阻。

（5）工作频率。震荡周期可由式（2）得到，

（2）

4 测试结果

该文以课题组自制的行波型超声电机为对象，通过所设计的驱动控制电路，对电机进行转速与相位差关系的实验，测得谐振频率为37.68 kHz，得到实验结果如图2所示（Φ=0附近有死区）。

5 结论

由于超声电机具有极强的非线性，当利用频率对其控制时，转速跳动范围大，电机不能平滑的过渡。该文通过实验，验证了两相电压的相位差大小与定子表面质点轨迹运动速度有着近似成正比的关系，因此通过对相位差大小的控制便可以实现控制电机转速的目的，同时也可以控制输出电压。

参考文献

[1] 周斌.超声电机的驱动技术及其实验平台的研究[D].南京航空航天大学，2002.

[2] Li Youguang， Chen Zaili. Phase shifted ZVT–PWM high-frequency full-bridge inverter with auxiliary resonant nets for driving ultrasonic motor[C]//Proceedings of the Eighth International Conference.Nanjing，2005.

[3] 上羽贞行，富川义郎，著.超声波马达与应用[M].杨志刚，郑学伦，译.上海：上海科学技术出版社，1997.

[4] 贺宝财，逢东. BiCMOS 相移谐振PWM 控制器UCC3895 原理及应用[C]//中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集.西安：中国电工技术学会电力电子学会，2006.

[5] 李有光，陈在礼，郝铭，等.基于全桥移相控制策略的行波超声电机驱动电源设计[J].机械与电子，2007（10）：18-20.endprint