行波超声电动机驱动电源的设计研究

　　超声电动机(USM)是近几年研制开发的一种新型微驱动器。USM突破了传统电动机的电磁耦合概念，而是依靠压电陶瓷的逆压电效应实现能量的传递。USM与传统电动机比较主要特点是体积小、重量轻、不受磁场影响、低速大扭矩[1]。因此，USM在微型机械、精密加工、汽车和机电一体化等领域中有着良好的应用前景。由于USM为容性负载，如何解决USM驱动系统中的电源问题，已引起从事USM研究与应用的科技工作者的广泛关注[2][3]。本文针对行波超声电动机驱动系统的工作原理，采用了先进的开关电源技术，以推挽式逆变器作为主电路，辅以脉宽调制(PWM)控制电路和MOSFET驱动电路，设计了一种新型USM驱动电源[4]。实验结果表明该电源既可满足驱动系统同频同幅、相位差90°的要求，且可自动跟踪USM的谐振频率，具有良好的柔性控制性能。

　　1 驱动控制系统方案

　　行波USM不同于传统电动机，为容性负载，负载电压不能突变。为了使行波USM定子弹性产生周向行波，在金属圆板一侧周向部分胶结空间差1/4波长的两组压电陶瓷阵列。当两组相位差90°的交流信号分别加在两组陶瓷阵列时，可在弹性体周围形成移动弹性行波。驱动系统原理如图1所示。其主要由方波发生电路，逆变主电路，频率自动跟踪电路，驱动电路和功率放大电路等部分组成。

图1 行波USM驱动系统原理框图

　　2 驱动电源组成及原理

　　由驱动系统原理可知，驱动系统要求驱动电源的设计应使压电振子环产生单向行波，且为同频率同幅度互差90°的方波信号，故需要驱动电源有两路输出，电源的频率应与USM的固有频率相一致。USM的固有频率及起振电压的大小则由其几何尺寸决定。根据电源设计要求：输入电压可为220V、频率为50Hz的市电，或者为15V的直流电压;输出电压为240V的方波信号、频率可调节;工作频率为50kHz;功率为100W;适应电动机工作环境和携带方便。本文设计的USM的驱动电源，如图2所示。主要由控制电路、功率驱动电路、逆变主电路、反馈电路和保护电路等部分组成。

图2 驱动电源组成框图

　　2.1 PWM控制电路

　　在控制电路规定的周期(频率)范围内，将直流电压调制为等幅不同脉宽的系列交流输出脉冲信号。本文PWM控制电路以两片集成脉宽调制芯片SG3525为核心，辅以部分外围电路构成，如图3所示。所需要的两路信号可控制电动机的正反转，并保持可控的相位关系。当同步输入端没有外部脉冲时，通过CT、RT端的外接电阻、电容可与外部电路构成振荡电路，电源的输出频率为