郄朝辉，金龙，徐志科，胡敏强

(东南大学，江苏南京2l0096)

    摘要：由于超声波电动机驱动的小型化要求，分析，一种利用谐振升压的驱动系统，通过M0sFET开通的占空比控制输出电压的幅值。通过MOsFET的开通和关断，利用电感进行储存和释放能量，使电路持续工作在谐振状态。为提高MOsFET的使用寿命，提高能量的利用效率，降低MOsFET的开通损耗，提出了一种zvT(zem-voltageTransition)技术，实现了MOsFET的零电压开通。

关键词：超声波电动机；谐振升压；zvT技术

    O引  言

    超声波电动机需要高频电压来驱动，实现的方法大致有两类：一类是利用开关电源技术，由逆变来实现电压升压、能量传输、阻抗匹配和电源隔离，但变压器必须与不同型号的超声波电动机匹配。另一类是采用正弦信号直接放大输入到超声波电动机。

    这种方法目前采用数字合成技术，控制算法简单灵活，但结构复杂，成本较高。

    基于谐振的超声波电动机驱动节省了变压器，利于实现电源的小型化。文献[2]通过选取L与超声波电动机参数形成谐振升压，但是对整个电路的工作状态描述有限，没有实现输出电压的控制，而且MOsFET开通电压较大，影响了使用寿命。本文在前人研究的基础上，以两相行波超声波电动机TusM30为控制对象，实现了超声波电动机的驱动系统，通过实验描绘出占空比和输出电压的关系，为超声波电动机的控制提供了依据。为有效解决MOsFET开通电压较大的问题，利用MOsFET本身的特性，将MOsFET的开通电压箝位在一O 6 v，有效降低r开通电压，延长了使用寿命。

    1方案设计

整个超声波电动机的驱动系统结构如图1所示，系统由三个部分构成：一是控制系统；二是主电路升压逆变电路；三是整个电路的电源系统。

 

 

 

    控制系统以Microchip公司生产的PIcl2F615系列单片机为核心，为升压逆变电路提供合适的控制信号，通过改变MOsFET开通的占空比，改变超声波电动机承受的电压幅值。单片机的时钟电路以LTcl799为核心。

    图2是升压逆变电路(仅提供了一相)，为整个逆变电路的核心，通过MOsFET的开通和关断，为其后的谐振电路提供能量，将直流电源进行逆变，产生超声波电动机的驱动系统。

 

 

 

    整个系统需要12 V直流电源，为驱动电路提供输入，并为MOsFET的驱动电路IH2103提供电源。  由于单片机需要提供5 V的电源，因此以78L05为单片机提供5 V电源。

    超声波电动机由于本身参与驱动波形的调制过程，通过对阿相行波超声波电动机的特性分析，超声波电动机在谐振点附近的等效电路可以用电阻和电容的并联电路表示。电感L2和超声波电动机的参数配合形成并联谐振，实现升压逆变。当MOsFET开通，电感L、储存能量；当MOsFET关断，电感L1与电源为其后的谐振电路提供能量。电感L1和电容cr(参数的意义与值的选取在下文)在MOsFET关断时，将MOsFET两端的电压箝位在一O．6 V，实现MOsFET的零电压开通。

2电路分析

    2．1主功率电路

    为便于分析电路的规律，了解主电路的能量传递过程，暂不考虑电感L，和电容c，的影响。仿真显示，这对输出电压的影响很小。L，和c，只影响在M0sFET关闭时，MOsFET两端的电压。

    MOsFET的开关周期为，，开通的占空比为D。

    在MOsFET的开通和关断过程中，电路的主要部分的结构分别如图3所示。

 

 

    在[t2，t3]的时间段里，MOsFET关断，电源和电感L2为谐振电路提供能量.由于MOsFET中等效反并联二极管的存在，电感L2和L1上的电流并不发生突变。由于受谐振的影响，电感L2上的电流仍旧按正弦规律变化，结果如图4所示。由电路的规律可知，当开关周期不变，MOsFET开通的占空比增大时，ia的值较大，电感L2和L1上的电流有效值更大。

    通过实验测得在不同占空比下电感L：和L，的电流水平，可知当MOsFET的占空比提高时，电感L2和L1的电流有效值增大，因此电源输出更多的电能，超声波电动机两端有更高的电压。在不同占空比下L2和L1的电流如图4和图5所示。其中通道l为电感L．电流，通道2为电感l2电流，电流箝使用的比例为1 mV／mA。从图中可以看到，随着占空比的增大,电感L2，和L1的电流有效值增大。

 

 

    有关的常数:由于在MOsFET关断时，电源和电感L1给谐振电路提供能量，因此稳定运行后，超声波电动机两端电压为正弦波。

    由于在MOSFET关断时满足：实验显示，电感L1对输出的电压幅值和波形影响较小，因此在MOsFET时，电源为电机补充能量，并使电机两端的电压有一个直流成分。而MOsFET开通时，电机两端的电压产生谐振。

    由前面的分析可知，当MOsFET开通时，电路工作在谐振升压状态，因此为提高电路的功率传输，主要分析功率管开通时电路的情况。当M0sFET关断时，电感L2的电流依旧按照正弦变化，是上一个谐振状态的延续。

    由对谐振状态的分析可知，UR=uL=i1ωL，在电路谐振频率恒定的情况下，通过调节占空比间接调节电感L2的电流幅值，可以控制电路的输出电压：

    2 .2分析

    在[t1，t2]的时间中，M0sFET开通时，电感Lr和电容cr被MOsFET短路，在[t2，t3]的时间中，MOsFET关断，电容被充电，两端电压不断上升。电感Lr和电容ct发生谐振，一般取Lr和cr的谐振频率是M0sFET开关频率的3～7倍，当电感两端电压为零时，M0sFET并联的二极管被导通，二极管被箝位在一0 6 V，因此当MOsFET被导通时，实现了零电压开通，提高了MOsFET的寿命，降低了功耗：

cr在电压上升到谐振电压所需要的时间：

 

 

 

    由仿真可知，原电路的开通电压约为195 V，而使用了电感Lr和电容cr之后，开通电压大幅下降，基本实现了零电压开通，提高了MOsFET的使用寿命。

    3结语

    本文对一种基于谐振的超声波电动机驱动进行了分析。这种驱动系统大大减小了体积，能够实现电机的驱动。电路利用电机本身的参数与电感形成并联谐振，可以通过调节MOsFET开通占空比自由地调节超声波电动机两端承受的电压。为有效降低开关管的损耗．使用了电感lr和电容cr实现了MOsFET的零电压开通，提高了工作寿命，降低了损耗。