基于三电平的超声波电机驱动电路调速性能研究

傅 平,孔 晨,蔡康伟

(1.闽江学院 物理学与电子信息工程学院,福州 350121;2.闽江学院 福建省教育厅先进运动控制重点实验室,福州 350121; 3.温州大学 电气与电子工程学院,温州 325000)

0 引 言

超声波电机[1-3]是利用压电材料具有的逆压电效应,并利用谐振将电能转变成机械振动能,再通过摩擦转变成旋转或其它方式运动的驱动装置。与传统的电磁型电机相比,超声波电机具有结构简单、质量轻、低速大力矩、响应速度快、控制精度高等优点。

对于超声波电机,常用的驱动电路拓扑结构有全桥式、半桥式、推挽式和三相桥式[4-11]。不同拓扑结构下的电路和对应的PWM 开关逻辑方法相结合,对超声波电机进行调频、调幅及调相,进一步实现电机的转速与位置控制。全桥驱动所需的开关器件较多,成本较高,不利于驱动器的小型化。半桥驱动电路的优点是简单、成本低等,缺点是输出功率较小、效率相对低、控制精度不如全桥驱动电路。推挽式驱动电路具有结构简单、驱动能力强、工作可靠、适用范围广等特点,广泛应用于电机控制、功率放大等领域。超声波电机驱动电路中的推挽式变换器的工作过程较为复杂。

现有的驱动电路大部分采用二电平结构[4-7],电路结构简单。文献[8-10]采用三电平拓扑结构对超声波电机进行驱动,与传统的二电平电路相比,三电平电路具有更低的电压失真、更高的效率和更低的EMI噪声等优点。三电平电路的输出电压幅度高于半桥电路,而其电路的复杂性较低[10],降低了损耗,节约了成本,同时该电路又兼顾了全桥和半桥电路的优势。文献[8-10]采用FPGA芯片产生三电平驱动信号,需要按照驱动时序对FPGA芯片进行编程,调速时需要占用大量FPGA芯片资源,使得系统测试和验证变得比较复杂。我们使用半实物仿真平台[11]对超声波电机的性能进行测试,相比FPGA芯片,此平台使用图形化编程,可大幅降低测控系统编程的复杂度,给测控系统调试带来了方便。此外,基于三电平和半实物仿真平台的超声波电机机械特性测试系统目前尚无相关文献报道。

本文提出使用基于三电平的超声波电机驱动电路,分析基于三电平驱动电路的超声波电机调压、调频和调相方法,并使用此电路和半实物仿真平台对电机进行调压、调频和调相,得到基于三电平驱动电路的超声波电机机械特性。本文首先,介绍基于三电平的超声波电机驱动电路,然后,给出基于三电平驱动电路的调压、调频和调相控制方法,最后,根据基于三电平驱动电路的调压、调频和调相方法得到相关的实验结果,并验证基于三电平驱动电路的有效性。

1 基于三电平的超声波电机驱动电路

三电平超声波电机驱动电路的核心是三相桥逆变电路,此电路由6个开关管组成,如图1所示。通过合理配置6个开关管的导通时序,就可以得到两相三电平电压。本文采用此电路对超声波电机进行驱动。

图1 三相桥电路图

对于图1的三相桥逆变电路,以U相输出为例,根据开关管S1和S2的开关时序,当开关管S1导通时,输出相电压UUN为U/2,当开关管S2导通时,输出相电压UUN为-U/2,因此三相桥逆变电路相电压输出波形是幅值为U/2的矩形波。

三相桥电路V相作为超声波电机A相和B相的公共端,超声波电机A相与三相桥电路的U、V相连接,B相与三相桥电路的W、V相连接,如图2所示,此电路为本文首次提出。S1～S4为超声波电机A相驱动对应的4个开关管,S3～S6为超声波电机B相驱动对应的4个开关管。各开关管的开关逻辑与两相输出电压间的关系如图3所示,其中α为开关管的导通角,U1为UWV对应的基波。

图2 基于三电平的超声波电机驱动电路

图3 三电平驱动信号波形

对于图3,输出电压有效值U有效:

(1)

其基波幅值U1:

(2)

在不同导通角下,三相桥电路的电压输出波形也不同。当导通角α<90°时,三相电路输出电压有3个电平的输出状态,幅值为UD/2,如图3所示;当导通角α=90°时,此时三相电路输出电压有2个电平的输出状态,幅值也为UD/2;当90°<α<180°时导通角,三相电路输出电压有5个电平的输出状态[11]。

2 基于三电平驱动电路的调压、调频和调相

基于三电平的超声波电机驱动电路,通过合理配置6个开关管的导通时序参数,可以实现超声波电机的调压、调频和调相,从而实现电机调速。

对于三电平电路的各桥臂,每个桥臂上下两个开关管的导通时序应避免引起桥臂的直通,从而损坏器件,如图4所示。开关管S1和S2、S3和S4、S5和S6之间的开通延迟角均为γ+2φ,其中γ为S1与S6导通的延迟角,φ为二相驱动信号UUV、UWV的相位差,并设γ+2φ为180°,这样就使得同一桥臂的上下两个开关管的导通时序互差半个周期,从而不会引起直通;其次,U相桥臂和W相桥臂中开关管的时序相对于V相桥臂来说,呈对称关系,从而使得两相电压波形保持一致。开关管S1和S3、S3和S5、S2和S4、S4和S6之间的延迟相位角均为γ+φ,这就使得两相电压波形一致,变量γ与导通角α之间的关系如图5所示。

图5 变量γ、φ与导通角α的关系

相位差φ一般在[0,90°]的范围内变换,通过改变两相的超前与滞后关系可以将调相范围变成 [-90°,90°],因此延迟角的取值范围变为[0,360°],延迟角与相位差之间的关系如图6所示。

图6 变量γ与φ的关系图

以下讨论驱动信号周期T、导通角α、相位差φ与三电平输出的两相驱动电压基波幅值U1、频率f、相位差φ之间的关系。

两相驱动电压的频率等于PWM控制信号的频率,调节三电平驱动信号PWM的频率可以改变输出电压的频率。通过控制各开关管导通角及相位差值,可以实现调相控制。

下面列出了不同相位差、导通角下开关管S1～S4的导通时序,共有4种情况:1)γ>φ,α∈(0,φ);2)γ>φ,α∈(γ,γ+φ);3)γ<φ,α∈(0,γ);4)γ<φ,α∈(γ+φ,180°)。图7(a) 表示情况1及对应UWV、U1的电压波形图,图7(b)表示情况4,其输出电压有5种状态,其他情况依此类推。图7(a)是在相位差略小的情况下得到,而图7(b)是在相位差略大的情况下得到,同样延迟角也会有相应调整,但都满足γ+2φ=180°。

图7 改变三电平电路变量及输出波形

类比式(2),两相电压相位差φ、输出导通角α、相位差与电压基波幅值之间的关系可以得到式(3),同理图7(b)的电压基波幅值也可以得到式(3)的结果。

(3)

导通角α、相位差φ与电压基波幅值之间的关系如图8所示。

图8 α、φ与电压基波幅值间的关系图

若保持信号周期不变,通过调整α和φ的值,使δ=sin(α/2)cos(φ/2)为常值,可以实现驱动电压的调相,进而实现超声波电机的调相,相位差可以在[-180°,180°]范围内进行调整,导通角α与相位差φ的联合调节如图9所示。

图9 α和相位差的联合调节

在保持信号周期不变的情况下,调节导通角α,即可实现两路驱动电压调压,并且电压基波幅值与α呈正比例关系。由式(3)可以得到导通角与调压比U1/UD之间的关系,即:

(4)

其结果如图10所示。保持导通角不变,调节信号周期,可以实现两路驱动电压调频。

图10 导通角与调压比关系

综上所述,使用三电平电路为超声波电机提供驱动电压,并且通过调节三电平的导通角α、PWM信号周期以及调整γ和φ的值可以实现驱动电压的调压、调频和调相控制。

3 实验及结果分析

本文实验使用基于半实物仿真的超声波电机测控系统,整个测控系统包括硬件平台和软件平台,其中硬件平台包括南京瑞途优特信息科技有限公司的RTU数字控制器[11]和电机对拖平台两个部分。RTU数字控制器包括CPU板、脉宽调制( PWM) 板、AD、DA板卡等,实现测控过程的数据采集。CPU板为数字控制器平台的核心部件。CPU板通过专用的总线来控制其他外设板卡,板上的通信接口包括10/100 M以太网Ethernet,隔离的RS232/ RS485接口等。脉宽调制( PWM) 板一共有60路PWM,其PWM由板卡的FPGA芯片产生,可支持多种PWM生成算法,同时RTU提供了16通道A/D转换,16通道D/A转换,36位数字I/O口等。底层驱动静态库RTU-BOX.Lib 将 RTU-BOX中所有硬件功能的驱动函数全部进行封装,使用者需要时可直接调用。电机对拖平台如图11所示,平台由光电编码器、被测电机、力矩传感器、负载电机4个部分组成。图11中,①为光电编码器;②为被测的超声波电机;③为力矩传感器;④为负载电机。半实物仿真平台使用量程为2 N·m的电机力矩传感器ZJ-2AM进行力矩测量。位置检测采用分辨率为10 000脉冲/转的光电编码器,可以实现电机速度的测量。超声波电机的型号为USR-60,其额定力矩为0.5 N·m,堵转力矩为1 N·m。负载电机型号为60LCB040C-J43A16,可通过输入电压控制负载力矩,其输出的最大力矩为1.27 N·m。RTU数字控制器的数据采样频率为2 kHz。

图11 电机对拖平台

电机转速、力矩、电压、负载等数据经过RTU数字控制器采集和处理后,传送到上位机显示与保存。RTU数字控制器中运行基于三电平的PWM波形发生和测控程序,上位机将采集到的数据进行保存、绘图并分析实验结果,实现基于三电平的超声波电机驱动系统。RTU数字控制器平台实物如图12所示,包括相关板卡和上位机等。超声波电机测试系统框图如图13所示。

图12 RTU数字控制器平台

图13 电机测试系统框图

本文利用RTU数字控制器控件自主开发三电平控制PWM_Ultrasonic模块,如图14所示,此模块可以产生6路PWM波。Pwm Enable是使能端口,Phase端口用于输入相位角数据,Frequency端口用于输入驱动频率数据,Duty端口用于输入占空比数据,因此可以实现三电平的调频、调相和调节占空比功能,配合电机速度测量模块和负载控制模块,实现基于三电平驱动的超声波电机速度性能测试。

图14 RTU三电平控制模型

实验中母线电压设为18.7 V,驱动频率为41.8 kHz,S1～S6的占空比设置为0.5,两相相位差为90°。由测试结果可知,其驱动电压基波的峰峰值约为55～60 V左右,因此使用升压变压器对其进行升压,实验中使用的变压器变比为1∶8。三电平电机输入端的驱动信号波形如图15所示。驱动电压基波的峰峰值为260～270 V左右,主要是两相变压器变比和两相阻抗的微小差异造成。

图15 电机二相驱动波形

以下分别对三电平驱动电路调频、调相和调节占空比的测试结果加以说明。

1)改变频率时转速的变化情况。调频、调速时,保持6路PWM信号的占空比不变,且两相驱动信号相位差保持不变。实验时在RTU控制器中将驱动信号占空比设为0.4,驱动频率初值设为41.5 kHz,空载情况下改变频率值,速度测试结果如图16所示。从图16可知,在驱动频率初值41.5 kHz右边区域改变驱动频率,电机速度变化较为缓慢;在频率初值左边改变频率,电机速度变化剧烈,不易实现电机调速,这与非三电平驱动方式得到的结果一致。

图16 不同频率下转速的变化情况

带载情况下改变频率调速时,要保持6路PWM驱动信号的占空比不变,且两相驱动信号相位差保持不变。实验时将驱动信号占空比设为0.4不变,驱动频率初值暂设为41.5 kHz,然后通过改变频率,测量不同负载时电机转速的变化情况,如图17所示。从图17可知,负载在[0,0.37]N·m条件下改变驱动PWM频率,电机速度变化的线性度较好,负载大于0.37 N·m时调频调速的线性度较差,因此变频调速需要选择合适的负载大小。

图17 不同负载下改变频率转速的变化情况

2)改变相位差时转速的变化情况。对电机进行调相调速时,需要保持三相桥PWM驱动信号的频率不变,通过修改开关导通角及相位差可以实现两路驱动电压调相,其中导通角与相位差需要配合调节使δ=sin(α/2)cos(φ/2)为常值。实验中,常值δ可暂设为0.6,δ也可以设为其他值,只是对应的基波幅值不同而已。无负载情况下调相调速的结果如图18所示。相位差在60°～80°时其线性度较好,80°～90°时其线性度不如60°～80°时好。

图18 改变相位差时转速变化情况

带载情况下调相、调速时,实验条件与前面无负载时相同。实验时将驱动频率值设为41.5 kHz不变,通过改变驱动信号的相位差,测量超声波电机在带载情况下电机转速的变化情况,实验结果如图19所示。从图19中可知,相位差为70°～90°且负载在[0,0.3]N·m条件下,调相时电机速度变化的线性度较好,负载大于0.3 N·m时调相调速的线性度较差,因此调相调速需要选择合适的相位差和负载大小。由图19可以看出,在相同的负载力矩参数的情况下,相位差增大,超声波电机的转速就增大;当相位差为90°时超声波电机的转速达到带载时的最大值,小于90°后,超声波电机的转速呈现减小的趋势;当负载力矩在不同相位差下变化时,超声波电机的转速都呈现减小的趋势。

图19 不同负载下调相的转速变化情况

3)改变占空比时转速的变化情况。改变三电平6路PWM驱动信号的占空比调速时,需要保持驱动信号的频率不变,且两相驱动信号的相位差保持不变。在RTU数字控制器中,实验时在RTU控制器中将驱动信号频率设为41.5 kHz,占空比初值设为0.4,在空载情况下改变PWM信号的占空比,电机转速测试结果如图20所示。占空比变大时电机速度增加,占空比变小时电机速度减小,类似于调压调速[2-3]。

图20 改变占空比时转速的变化情况

RTU控制器中DAC 板卡的DAC 模块用于将数字量转换为模拟信号输出。通过修改模块的变量参数,就可以改变模拟电压来控制电机负载大小,然后,通过RTU控制器的速度测量功能实现电机在带载条件下的转速测试。当DAC 模块的变量设置为0.3时,对应的输出模拟电压量为3 V,对应的负载转矩约为0.38 N·m,在电机驱动信号占空比为0.4,频率为41.5 kHz的情况下,不同负载下的速度测试结果如图21所示。

图21 不同负载下的转速情况

带载情况下改变占空比调速时,要保持驱动信号的频率大小不变,且两相驱动信号相位差保持不变。改变三电平驱动电路中6路PWM信号的占空比大小,其占空比要保持一致。实验时,驱动信号频率与前面相同,占空比初值设为0.25,通过修改占空比来改变驱动信号的幅值,带负载时不同占空比情况下电机转速的结果如图22所示。从图22可知,负载改变时超声波电机的机械特性类似于直流电机的机械特性,占空比越大其机械特性的线性度越好。

图22 带载时不同占空比的转速变化情况

总之,通过合理选择三电平驱动电路参数,在半实物仿真平台空载和带载情况下测量电机改变电压、频率、相位时的转速情况,并对结果进行处理,得到相应的机械特性。从实验结果可以看出,基于三电平的超声波电机驱动电路可以实现电机的调频、调相和调压。

4 结 语

本文从基于三电平的超声波电机驱动电路出发,分析使用基于三电平的电机驱动电路调压、调频和调相原理,得到三电平驱动电路的调速控制方法,并使用基于三电平驱动电路和半实物仿真系统对超声波电机进行机械特性测试,得到基于三电平驱动电路的超声波电机机械特性,实验结果表明此驱动电路的有效性。