|
超聲電機是一種將壓電振子在超聲頻域的振動能轉換為機械能的電動機，它應用壓電元件產生的振動驅動移動體移動。根據超聲電機的運動機理，由兩相頻率幅值相等、具有一定相位差的高頻交變電壓信號來驅動壓電振子，使得電機的轉子產生旋轉運動。超聲電機因其低速大轉矩，體積小，重量輕。功率密度大，響應速度快，微位移，不受電磁影響等優點，已在透鏡精密定位、相機鏡頭自動聚焦系統、隧道掃描顯微鏡、壓電夾具體、機器人、計算機和醫療設備等領域得到應用。 超聲電機雖然結構簡單。但其壓電元件需要高頻激勵。目前其驅動電源主要有3大類：一類是利用開關電源技術，由逆變來實現電壓升壓、能量傳遞、阻抗匹配和電源隔離，這種方法在國內的行波型超聲電機驅動中使用比較廣泛．但變壓器必須與不同信號的超聲電機匹配；另一類利用諧振升壓產生驅動型號，雖然電路簡單，體積小，但是電感參數選取比較困難；還有一類是采用正弦波型號直接放大輸入超聲電機，這種方法采用數字直接合成技術(DDS)，以模擬放大電路為基礎來實現，激勵信號達到理論分析的要求，實現控制算法簡便靈活，但電路復雜，成本較高。微型超聲電機應用場合的特性要求其驅動電源結構緊湊，可電池供電，簡單易行。而BCS1608滿足以上要求，輸出電壓兩相／三相可選，因此可作為不同型號微型超聲電機的驅動電源。 1 BCS1608的主要特點 BCS1608是博立碼杰通訊(深圳)有限公司自主研發推出的一款兩／三相升壓逆變器，輸入2．5～5．5 V電源及控制信號，輸出36 V高電壓兩相或三相驅動電平，內置開關頻率為500 kHz的Boost升壓模塊。該芯片待機電流低，功耗小，外圍電路簡單，體積小，可靠性高。 BCS1608可實現兩相或三相高壓輸出，切換方便。其應用范圍包括錄像機、CD／DVD播放機、汽車音頻等音像設備，PC外圍設備，汽車導航系統和辦公設備等。BCS1608的內部結構如圖1所示。 其主要特性如下： (1)直流輸入電壓，可直接由電池供電，無需外加變壓器或有源升壓開關器件； (2)輸出電壓可調，幅值最高可達36 V； (3)兩種工作模式，其中兩相輸出相位差為90，三相輸出相位差為120； (4)待機電流小； (5)體積小，僅為3 mm×3 mm，QFN封裝。 由圖1可知，BCS1608內部電路分為3大模塊：升壓部分、相位控制邏輯部分和逆變部分。其中升壓部分采用Boost DC／DC升壓電路，相位控制邏輯部分根據相位控制信號SEI．和DIR對輸入時鐘信號進行分頻和相移，為逆變部分提供開關信號。 2 引腳功能和外圍電路 BCS1608采用16腳QFN封裝，各引腳功能定義如下： VBB：由DC—DC升壓得到的高壓電源，為驅動部分供電； AGND：模擬地； DIR，SEI：控制3路驅動信號的相位，如表1所示； GND：數字地； IN：輸入時鐘信號； SHDN：電路使能信號，高電平有效； FB：DC—DC輸出電壓反饋引腳，設置VBB最高點壓； VCC：輸入低壓電源腳； SW：內部NMOS開關管的漏輸出； OUT1～OUT3：三路驅動信號輸出。 BCS1608的外圍電路簡單，需要快恢復二極管、電感和電容各1個與內部電路組成Boost升壓電路，電阻2個用于反饋電壓，再外加1個電容起濾波作用，其簡單應用電路如圖2所示。 3 逆變電路結構 由于超聲電機驅動時所利用的振型的多樣性，因此超聲電機的結構形式非常靈活和多樣化，也要求驅動電源與之配套，使得驅動電源可移植性差。而由BCS1608構成的驅動電源輸出兩相和三相可選，可驅動多種不同結構的超聲電機。 由于B(2S1608要兼顧兩相和三相輸出，其逆變部分采用兩相三橋臂逆變電路，如圖3所示。 當負載為兩相時，可選逆變電路有3種：半橋逆變電路、雙H橋逆變電路和兩相三橋臂逆變電路。半橋逆變電路結構簡單，僅需要4個功率變換器組成2個橋臂即可，如圖3所示。雖然它所需功率開關器件少，成本低廉，穩定性高，但是回饋電流會使前級變頻電源輸出電壓波動較大，且需要對稱正負輸出電源。采用雙H橋逆變電路則只需要單路穩壓電源，兩相負載的電流也不再對電源形成大的干擾，直流電壓利用率也比半橋電路要高，如圖4所示，如ROHM公司的H橋驅動器BD623X即采用這種電路；但同時功率開關器件數量較之半橋逆變電路增加一倍，結構上也變得復雜。實際應用中將圖5中的中間兩只橋臂合二為一，成為公共橋臂，即圖3所示兩相三橋臂全橋逆變電路，既減少了開關器件的數目又保持了雙H橋的優點。 當負載為三相時，由于三相半橋逆變電路與兩相三橋臂逆變電路完全一致，因此可實現兩相和三相之間的靈活轉換。 4 輸出電壓仿真實驗 由表1中可知電壓輸出模式分為2種：兩相模式和三相模式。兩相輸出時，輸出是輸入時鐘的兩分頻，而三相輸出時為輸入時鐘的三分頻。利用Matlab搭建BCS1608內部電路逆變部分的仿真模型，如圖6所示，其中s函數輸入為輸出電壓控制信號的頻率；輸出為6個功率開關的開關信號，且根據SEL，DIR的不同值產生相應信號使逆變電路輸出不同相位電壓，同時為防止同一橋臂直通，在S函數中設置了死區時間。改變SEL和DlR值，對上述2種工作模式進行仿真，得到波形如圖7所示，輸出相電壓幅值均為36 V，頻率均為20 kHz。 5 應用實例 選用了同為博立碼杰公司生產、用于手機攝像頭AF功能的：BM730一A1型號的超聲電機。它是一款由粘接有壓電片的多邊形金屬螺母定子和帶有外螺紋的轉子組成的螺母型超聲電機。 在分區的壓電陶瓷上施加激勵信號，激勵出定子的面內行波。通過整個定子的螺紋表面驅動與之相配合的螺紋轉子旋轉，并通過螺紋將轉子的旋轉運動轉化為直線運動。 驅動電源由一塊3．7 V鋰電池、1片單片機和1片BCS1608及附加被動元件組成。其中超聲電機既可采用兩相驅動，也可采用三相驅動；驅動電壓要求幅值為22±2 V，頻率為16．78 kHz。 圖8為BCS1608輸出線電壓波形，其中BCS1608為兩相輸出時，圖8(a)為超聲電機正轉時的波形，圖8(b)為超聲電機反轉時的波形；BCS1608三相輸出時，圖8(c)為超聲電機正轉時的波形，圖8(d)為超聲電機反轉時的波形。 實驗可得，BCS1608很好地驅動了超聲電機，輸出波形失真小，效率高，可作為微型超聲電機驅動電源的首選。 6 結語 BCS1608由于其高度集成的設計，外圍電路簡單，簡化了系統設計過程，適合用于對結構要求苛刻的超聲電機。實驗結果表明：BCS1608兩種輸出模式可靠性高，可廣泛應用于各種微型超聲電機驅動電源中。 |
