超声波电机推挽式驱动电路研究

张文宇,李弘炬,王秀玲

(1.辽宁科技大学 软件学院,辽宁 鞍山 114051;2.西门子(中国)有限公司,北京 100102;3.天津普辰电子工程有限公司,天津 300384)

1 引言

推挽式电路是开关电源一种基本电路形式[1],常用于低输入电压的DC/DC开关电源。该电路若不连接整流二极管,略去中线不用,则在副边绕组输出端得到的将是正负半波交变的交流方波电压。此时推挽式电路简化为DC/AC变换器。

超声波电机(下文简写为USM)驱动电路输入电压通常为低压直流12 V或24V,而USM要求驱动电压为交流,且峰峰值通常为几百V。目前的USM驱动电路中,广泛采用推挽式电路作为DC/AC升压变换器。推挽式变换器的合理设计对提高USM的驱动控制性能具有重要意义。

在机械谐振频率附近,USM的等效电路为电感、电容与电阻的串并联结构。为改善驱动效果,USM驱动电路中通常包含串联匹配电感,该电感与USM串联构成LC串联匹配电路,如图1所示。

图1 超声波电机推挽式驱动电路结构框图Fig.1 Structure of USM′s push-pull driving circuit

传统的压电换能器匹配电路[2],以及文献[3]给出的USM匹配电路的设计方法,都是以“输出最大功率”为目标。该设计方法应用于USM,存在两方面的问题:一方面,在传输最大功率时,电路的效率是很低的;另一方面,对于常用的两相USM,由于压电陶瓷材料特性的分散性、USM定子和压电陶瓷分布的不对称及其加工误差,USM两相的电特性通常是不一致的,很难保证USM两相串联匹配电路的工作状态一致。

文献[4～6]中,设计电感串联匹配电路使其谐振频率低于USM机械谐振频率和工作频率。……