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

1、1031142314#C D E F G H C I JG J K L H C D C M G H C I JN I O P O C Q C J R C O S E C H I N （O G Q T F F C J R 3U G Q T . F H O G V I J C S WI H I OX Y Z 3_; Y a b c 3d 5e _f g cY h b i j k lg m n o b o b p? b o g d g c l ; q_8411p i h co i o _k j t _d k g g v k t f k g 引言超 声 波 电 机 是 将 电 能 转 换 为 机 械

2、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 Y n 运 行 机 理 和 结 构 |Y n 驱 动 控 制 技 术 以 及Y n 实验及

3、测量技术等方面 2=本文研究了 Y n 驱 动 电 路 与 其 机 械 负 载 的 阻 抗 匹 配 问 题 ; 为 Y n 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

4、; 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 :$n 2导 通 ; $n 0截 止 绕 组 2直 接接地 ; 绕组 0经 $a 0接地 =52#8 2#0$n 2与 $n 0均 截 止 ; 绕 组 2和 0都经 $n 管接地 =52#0 4#8$n 2截止 ; $n0导通 ; 绕组 2经 $n 2接地 ; 绕组 0直接接地 =54#8 $n 2和 $n 0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

5、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 ./ /$444456 7 $7 84447$ 6$7$844478 78$6889! 4444449! $4444 8 $? 44 444? $444444 444444 444/=$/=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

6、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 D E D F G 9F ! A C $D E $5? 8D F G $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

7、容期望值应为 . 85F $G 9$C $E$E A 9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$54J 44-4K ? $54J 8L 68854J -M 44K ?5 N L 7 $54J 448O K 7 8597$854J 48P-K 图 -给出 Q 5$ R K S时的空载副方电压波形 +图 -空载时副

8、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 U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U UA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 !

9、 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

10、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 C D E D 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

11、 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 F 2GA 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:H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H 行波型超声波电机驱动电路特性仿真与优化 余建华