基于功率放大器的超声波电机驱动电源

1.引言

随着超声电机的理论研究和工业应用的发展，对驱动电源提出了小型化、通用化、智能化和集成化地要求。作为交流电源，国内外市场上的种类繁多。它们大多都应用在电压比较大或频率比较高的场合[1]。常用的驱动超声电机的电源一般由四部分组成：信号发生电路、移相电路、功率放大电路和变压器[2]。现在变频调速已经成为一种主流的电机调速方案，许多驱动电路均选择采用该项技术。本设计中，由于在信号发生电路中巧妙地选择了精密函数发生器ICL8038芯片，通过调节ICL8038的输入电压的大小，可实现驱动电路的调频调幅，进而实现输出信号的调幅调频，达到改变电机转速的目的。本设计无需另加变频电路和调幅电路，节省了硬件空间。同时，本设计驱动电源采用两相输出，原理上是一模一样的，由于分别可以调相，从而在电机的两相输入时，输入信号有一个相位差，通过调节相位差，可以调节电机的转速。

本设计占用最小的硬件空间，采用纯模拟器件，同时能够调频调幅和调相，是一款较为实用的超声电机驱动电源。

2.超声电机驱动电源总体设计

2.1 系统主要功能

图1 总体硬件框架图

图2 信号发生电路

图3 移相电路

图4 功率放大电路

图5 输入频率为30kHz，相移为82°

图6 输入频率为40kHz，相移为63.4°

基于功率放大器的超声波电机驱动电源由四部分组成，信号发生电路、移相电路、功率放大电路和变压器，要求能够实现调幅、调频和调相的功能。信号发生电路产生频率可调的超声频率正弦波信号，经过分频相移电路产生有相位差的两相信号，作为功率放大电路的控制信号。功放电路完成两个功能：功率放大和负载匹配，功率放大将控制信号放大。变压器把功放输出信号升压，以达到满足驱动电机的电压要求。

2.2 硬件设计思路

通过方案的比较和设计思路的分析以及元件的选择，已基本确定系统的基本构成，总体硬件框架图如图1所示。

3.系统电路分析

本设计电路包括了四个重要组成部分：信号发生电路、移相电路、功率放大电路和变压器升压，每部分在电路中都承担着不同的任务。信号发生电路要产生频率为40kHz，且幅值可调的正弦波波形；移相电路实现严格的0°～180°移相功能；功率放大电路现实放大输入电流，进而放大功率的功能，要求能输出电压为24V左右，电流1到2安培，功率为40W左右的输出信号。由于变压器升压有现成模块，故在这里不做深究。

3.1 信号发生电路分析

本设计中采用的信号发生电路是信号发生器ICL8038典型的应用电路[3]，如图2所示。

由图2可以看出ICL8038各端口外接电路的情况。8引脚接频率调节电源，引脚4、5、9都是经过一个电阻接+Vcc，这里的Vcc取10V。引脚10和12分别经过一个电容和电阻接-Vcc，Vcc也是取10V。而引脚6、11则直接分别引到正Vcc和负Vcc。经过计算，R11、R12、R13均取10k，R14取82k，而电容C3则取3300pF。由于信号发生电路输出的电流较小，所以R15一般应取几十千欧姆左右。

输出信号的调幅通过改变8脚的电压输入大小实现，输出信号的调频则由R11、R12、C3以及引脚8的电位决定。

3.2 移相电路理论分析

本设计采用的移相电路见图3，通过理论计算可证明，它能实现严格的移相功能[4]。

由图3可知：

由(5)式可知输出幅频特性恒等于1，即电路的增益为1，波形的幅值没有变化，符合移相的目的。由(6)式观察相频特性，可知改变相位差，可以通过改变输入频率w，可变电阻R和电容C来实现，而由于电容一般是固定的，所以在这里我们主要通过w和R来改变相位差。

3.3 功率放大电路原理分析

本设计选用准互补对称功率放大电路，如图4所示。

由图4可见，整个功率放大电路由两个电阻，四个二极管，两个PNP，两个NPN和一个电容组成[5]。

Q1，Q2，Q3，Q4：上述互补对称放大电路要求一对特性一致的NPN和PNP型功率输出管。在输出功率不太大时，较容易适配管子，但在要求输出功率较大时，就难以配对。利用复合管结构，可以消除两边的不对称性，同时还能增大放大倍数。在这里，Q1和Q2，Q3和Q4分别组成复合管。

另外，根据复合管T1，T2各级电流的流向和近似关系，可以得出复合管连接原则和等效管型判别方法：(1)按T1，T2管电流前后一致的规律连接；(2)复合后的等效管型取决于前一只管子T1的管型；(3)复合后等效管的总电流放大系数B=B1*B2。

4.实验与结果分析

实验结果见图5和图6。由实验结果可知，驱动电源的输出可实现调相、调幅和调频，符合本设计用于驱动超声电机的要求，达到预期目的。

从以上电路分析可得知通过改变可变电阻，可实现移相的功能，同时这也是本设计移相的主要方法。图6中，波形的周期为25us。设为T。右下角的数据即为A相超前（滞后）B相的时间，为方便表达，设为t。故移相的相位为φ =t*2Π/T 。实验结果经与理论计算对比，有一定误差，但在控制范围内。

5.结论

本文提出的基于功率放大器的超声波电机驱动电源。函数发生器产生频率为40kHz左右的正弦波信号作为输入信号，通过改变函数发生器的输入电压可改变产生波形的频率和幅值，移相电路采用了RC移相电路中典型的0～90°移相，在电路能实现调相的目的。采用了功率三极管TIP41C及其对管，放大了电流，从而达到放大功率的目的。

系统的变频调节是通过改变输入信号的频率实现，通过调节输入信号的大小可以调幅。由于本系统有两路输出，改变两个移相电路的可变电阻，可实现输出的相位差的变化，从而实现对电机的调相调节转速的目的。

本设计不仅可对正弦波实现低高频移相和放大的功能，对方波，三角波等波形亦可实现放大，这是本驱动电源最大的优点，但对正弦波外的波形不能实现移相。

[1]曹操军,陈润恩,王桂英.变交流术基础及应用[M].北京:中国水利水电出版社,2002,1-178.

[2]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2001,1-208.

[3]吴运昌.模拟电子线路基础[M].广州:华南理工大学出版社,1998,1-236.

[4]康华光,陈大钦,张林.电子技术基础模拟部分(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2005,1-500.

[5]谢沅清.电子电路基础[M].北京:人民邮电出版社,1999,1-200.