行波型超声波电机驱动电路特性仿真与优化精Word文档格式.docx
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gvk[t[f\k[g]
{引
言
超声波电机是将电能转换为机械能的换能元件;
与通常的电磁型电机相比;
具有转矩大|效率高|控制特性好|断电自锁|定位精确|噪声小|无磁性干扰等特点=应用前景十分广阔=
超声波电机的基本工作原理为/对超声波定子两相压电元件施加具有一定相位差的超音频交流电压;
在定子中激发一行波;
定子表面质点作与行波行进方向相反的椭圆运动;
若将转子压在定子上;
则两者在行波的波峰点接触;
受摩擦的作用;
转子向行波的反方向移动=目前国内的研究主要集中在新型Yn@运行机理和结构|Yn@驱动控制技术以及
Yn@实验及测量技术等方面}2~
=本文研究了Yn@驱动电路与其机械负载的阻抗匹配问题;
为Yn@驱动电路的优化及其等效电路参数的测量提供了参照依据=
由于压电体静态电容的存在;
超声波电机的外特性呈容性;
其电压不能发生突变;
但利用合理的阻抗匹配技术;
可以用方波开关信号进行驱动=本文在分析过程中用一阻容串联电路模拟超声波电机;
并由此建立超声波电机驱动电路的工作模型;
最后给出优化结果=
超声波电机驱动电路行为特性仿真
图2为超声波电机的驱动电路}0~
;
它采用0路推挽功放电路组成;
两相工作具有对称性;
可取其中
一相进行分析;
并采用普通变压器模型=
图2超声波电机驱动电路
设高频变压器的2个工作周期为"
;
则2个周
期内;
高频变压器2经历了以下四种状态/51;
2#8"
:
@$n2导通;
@$n0截止>
绕组2直接接地;
绕组0经@$a0接地=
52#8"
2#0"
@$n2与@$n0均截止;
绕组2和0都经@$n管接地=
52#0"
4#8"
@$n2截止;
@$n
0导通;
绕组2经@$n2接地;
绕组0直接接地=54#8"
"
@$n2和@$n0均截止;
绕组2和0经@$n管接地=
图0为超声波电机一相驱动电路的电路模拟;
%
24%&
&
行波型超声波电机驱动电路特性仿真与优化余建华
辜承林
万方数据
电容!
#!
$分别模拟截止状态的%&
’（*管+图$超声波电机一相输出模拟电路
选择反映谐振情况的电压和电流信号作为考察对象,建立图$电路空载#接电容负载时的-组数学
模型,分别列写状态方程+以接负载时为例,其状态方程为.
/"
/$44
4
456
"
7"
$7"
84447$"
6$$7$844478"
78$
6889!
444
4449!
$44
44
8
<
$<
8/="
/=$/=8>
?
44"
444?
$
44"
4444
444444"
444<
/=$/=8式中,6"
和6$$为原方上#下两绕组的自感,688
为副方绕组自感+7"
$为原方上#下两绕组间的互感+7"
8和7$8为原方上#下两绕组对副方绕组的互感@78"
57"
8,78$57$8A+?
和?
$为原方上下两绕组的电阻值@?
5?
$A+?
8为副方绕组电阻值和负载电阻之和+!
8为负载电容值,亦即超声波电机的等效电容值,/=8为其两端电压,正方向与电流<
8方向相
关联+<
和<
$分别为上下两绕组电流,方向如图所示,/="
和/=$分别为!
和!
$两端电压+
数值求解状态方程即可得出电流#电压波形,获得仿真结果+
B超声波电机驱动电路匹配优化
超声波电机的谐振状态为理想工作状态+因此,优化问题的提法为.在谐振频率一定的条件下,寻找一负载电容值,使其与信号源发生谐振,同时调节电路参数,使电路工作在匹配状态+其中高频变压器在实现谐振及阻抗匹配方面将会起到关键作用+
考虑高频变压器推挽式运行特点,拟采用普通变压器分析模型,图8为接电容负载时的电路图+
图8接电容负载的等效电路图
C"
>
DE"
D@FG"
9F!
AC$$>
DE$$5?
8>
D@FG$
9F!
$$
A式中,G"
56"
G$5688,C"
$,C$$5?
8调节次级等效回路中的电容值,使次级等效回路发生谐振,则相应的负载电容期望值应为.
85@F$
G"
9$
C$"
E$"
E"
A9"
为使超声波电机具有较高效率,超声波电机应
工作在匹配状态下,根据功率最大传输定理可知,当
85$
时,次级回路电流达到最大值,电机效率最大+
I仿真波形及优化结果
在确定了行波型超声波电机驱动电路模型后,对其工作情况进行仿真,可得出电机优化运行结果+根据图$所示正方向,电路参数为.
6"
596$$54J44-4K?
$54J8L688
54J-M44K?
5"
NL7"
$54J448OK7"
8597$8
54J48P-K图-给出Q5$"
RKS
时的空载副方电压波形+图-空载时副方电压波形
从图-中可以看出,由于%&
’（*管结间电容的作用,使得脉冲后沿尖峰的变化速度减慢,同时前沿很陡的脉冲电压导致渐趋稳定的振荡过程+
T
$8T微电机
$44$年第8M卷第$期@总第"
$M期UUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUUU
A
图!
为选定负载电容后变压器副方电压波形"
为形状较好的正弦波#图$为对应图!
的电流波形#
谐振时副方电压波形
图$谐振时副方电流波形
图%为选定匹配电阻后的变压器副方电压波形"
图&
为相应的电流波形#比较图&
和图$可看出"
匹配状态下"
副方电流值增大"
效率提高"
但原电路的特性发生了变化"
电压波形畸变#
’结
语
通过建立超声波电机驱动电路的工作模型"
分别对空载（谐振及匹配进行了仿真#在对高频变压器次级回路进行了谐振分析后"
给出了计算谐振负载电容值的公式"
为进一步确定*+等效电路的参数提供了依据#
图%匹配时副方电压波形
图&
匹配时副方电流波形
参考文献,
-./胡敏强0超声波电动机的研究及其应用-1
/0微特电机"
23334!
5,2&
67.0
-2/刘锦波"
陈永校0行波型超声波电机械特性计算与驱动系统的分析-1/0电机与控制学报"
.88&
2495,7.6770-7/胡宴如"
章忠全0高频电子线路-+/
0高等教育出版社"
.8870
作者简介,余建华4.8%&
女"
硕士研究生"
研究方向为超声波电机仿真与优化;
#
上接第$页5在<
=>
+电枢电路中引入@A的概念"
使电枢等效电阻改为@B@CD@ED@A"
能正确反映电枢电路的电压平衡关系"
可以正确确定旋转电压的值"
因而正确地确定电动机的运行转速和相关的运行特性#但应指出的是"
@A与磁储能相联系"
与一般的电阻不一样"
F2
G
@A不能代表电机内的热损耗"
事实上它与电动机内机电能量转换过程有关#
-./韩光鲜"
谢占明"
王宗培0无刷直流电动机电枢等效电阻的实例研究-1
/0微电机"
2332"
7!
4.50作者简介,韩光鲜4.8%3:
男"
博士研究生"
从事伺服及步进驱动单元的运行分析及仿真研究#
77:
HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH行波型超声波电机驱动电路特性仿真与优化余建华
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