超声电机驱动功率放大电路

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(集美大学 机械与能源工程学院，福建 厦门 361021)

超声电机(USM)的驱动信号是具有一定功率的高频、高压正弦交流信号[1-4]，由驱动电路产生的原始小信号必须经功率放大，才能满足USM稳定运行的驱动技术要求。USM使用压电陶瓷作为驱动关键元件，考虑到其存在迟滞、非线性、储存电荷、驱动能力大等特性[4-6]，要求设计的信号功率放大电路应具有稳压性好、输出电压较大、线性度高、非线性失真度小、电流驱动能力强等特点，从而产生较为理想的驱动效果。目前，对该信号进行功率放大主要有2种方法：一是利用功率金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为输出级搭设的甲乙类对称功率放大电路，这种开关式电路效率高，但输出信号电压波动大，电路实现复杂，频率特性也较差[7]；二是直接选用高压运算放大芯片设计功放电路[4]，如APEX公司出品的PA89、PA95等系列运算放大器(简称运放)，具有静态性能好、电路结构简单、输出电压高(峰峰值可达900 V)等优点，但输出电流小于200 mA，限制了其动态性能[7]，同时芯片供电电压要求严格，而且价格高达数千元，不利于USM的应用推广。

本文中针对USM的驱动技术要求，设计开发出一种适用于USM的功率放大电路。 该功率放大电路是以通用运放AD811AN为基础，附加2个并联的功率放大芯片及升压变压器，从而获得数十伏至数百伏区间内的输出信号，同时该电路模块采用集成运放，很大程度上减少了复杂电路计算，有利于实现USM驱动器的集成化与微型化，并拥有较好的稳定性、可靠性及经济性，能够满足各功率类型超声电机驱动需求。

1 USM驱动器工作原理

目前较成熟的USM驱动器基本工作原理如图1所示，其主要由信号发生电路、滤波电路、移相电路与功率放大电路等部分组成。该驱动器首先由信号发生电路输出2路或4路可调频率的同频等幅方波电压信号，这些信号需要经过滤波电路转换成4路光滑的正弦电压，并连接移相电路用于调整信号相位，然后功率放大电路对输入信号进行一定的功率放大，使得到的高频、高压正弦信号可以驱动USM正常运行。

图1 超声电机驱动器工作原理

2 功率放大电路设计方案

基于USM驱动信号要求，该功率放大电路的设计指标如表1所示。本设计要求输入信号正弦交流电压幅值在-10～+10 V范围内，电路能够输出最大电压峰峰值为600 V、工作频率在20～60 kHz的驱动信号。同时考虑到功率运放芯片的工作温度较高，需采用散热片冷却。

本文中设计开发的USM组合式功率放大电路的结构原理如图2所示，主要由电压放大级、功率放大级和升压变压器组成。首先，原始输入信号通过电压运算放大级驱动将信号电压放大，最大电压峰值为10 V；然后进入由2个功放芯片OPA541AM组成的功率放大级，得到最大电压峰值为20 V、连续输出电流为10 A的交流信号；最后，由变压器将信号电压增大到数百伏，峰峰值电压最大可以达到600 V，从而适用于各种功率大小的USM，具有良好的通用性。

表1 功率放大电路设计指标

图2 功率放大电路原理

3 电路设计与分析

3.1 电压放大级电路

电压放大级电路的运放芯片选用高速、宽波段、低失真度运算放大器AD811AN。该芯片在10倍增益、3 dB噪声条件下，带宽可达100 MHz，转换速率为2 500 V/μs，其输出电压幅值可达±12 V，完全满足信号工作频率和电压峰峰值要求。设计采用同相放大电路连接方式，供电电源电压为±15 V，输入信号电压放大倍数G为1+R3/R2，可调电阻R3控制放大倍数，生成的信号最大电压峰峰值为20 V，电路如图3所示，其中，供电电源接电容0.1、10 μF用于稳定电压。该电路采用Multisim进行仿真分析，结果见图4。从图中可以看出，信号被正确放大到±10 V，满足设计要求。

3.2 功率放大级电路

功率放大级电路的作用是将前级信号幅值和功率进行放大，经查看多款功放芯片资料后，本设计最终选用Burr-Brown公司生产的OPA541AM型高性能功率放大器。 该芯片电源输入电压最高可达± 40 V，可连续输出5 A大电流，具有足够的驱动负载能力，同时内部存在过流保护电路，性能优秀且性价比高，满足超声电机驱动需求。具体设计电路如图5所示，电路结构依然采用同相放大接法，电源电压采用典型输入电压±30 V，并利用2个功率运算放大器OPA541AM并联工作，从而获得更大的输出功率。

图3 电压放大级电路图

图4 电压放大级仿真图

其中，功率运放U1的频率特性通过推导可得

(1)

因此,该部分电路增益为

(2)

式中：ω为角频率；C为电容；R1、R2、R3为电阻。

功率运算放大器OPA541AM外接电阻，从而限流保护电路。其阻值由R3确定。2个功率运算放大器需分别输出5 A电流，则R3为0.1 Ω。其中，C3、C4、C5、C6为去耦电容，用来稳定电源。利用Multisim进行仿真分析，结果见图6。由图可以看出，输出信号电压幅值为±20 V，且波形无明显失真。

图6 功率放大级仿真图

3.3 升压变压器设计

USM的驱动要求适当的高电压、小电流信号，而上述设计的功放电路电压放大倍数有限，其峰峰值最大为数十伏，不能满足驱动要求，因此必须设计合理的升压变压器，将前级功放电路输出的信号电压增大。该变压器工作频率为20～60 kHz，远大于大多数电力变压器，为了提高其性能和降低损耗，本文中选用EC型铁氧体磁芯，铁氧体材料具有剩余磁感应强度小、磁导率及饱和磁感应强度大等特性[8-9]，适用于高频变压器。同时采用面积乘法(AP)设计此变压器[9-10]，该方法通过利用变压器变比、工作频率及功率，计算出磁芯窗口面积与磁芯横截面积的乘积。相关已知参数如表2所示。

首先，通过推导变压器视在功率Ps、输入功率Pi及输出功率Po之间的关系，可得视在功率为

Ps=Pi+Po=Po(1+1/η)，

(3)

式中η为变压器效率。

然后，根据磁芯窗口面积Aw、磁芯有效截面积Ae与各个参数量之间的关系进行推导，得到公式

表2 变压器已知参数

(4)

式中：J为电流密度；Bw为工作磁通密度；f为工作频率；Ku为窗口利用系数；Kf为波形系数。

电流密度J和面积乘积值Ap的关系式为

(5)

式中Kj为电流密度系数。

将(4)、(5)式代入Ap=AwAe，进而可得面积乘积为

(6)

由于考虑到面积乘积Ap需要留有一定合适的余量，因此选用EC-35型铁氧体磁芯。 该磁芯面积乘积、磁芯窗口面积与磁芯有效横截面积分别为：Ap=1.201 2 cm4，Aw=107.25 mm2，Ae=112 mm2。根据这些数值，进行如下计算：

原边线圈匝数Np为

(7)

副边线圈匝数Ns为

(8)

原边电流Ip为

(9)

副边电流Is为

Is=Po/Vs=0.6 A；

(10)

原边导线截面积Awp为

Awp=Is/J=0.025 4 cm2；

(11)

副边导线截面积Aws为

Aws=Ip/J=1.52×10-3cm2。

(12)

通过查询美国线规(AWG)并考虑一定余量，选用线径为1.8 mm的原边导线和线径为0.44 mm的副边导线，匝数分别为6、90。

4 测试与分析

依据上述设计电路及其参数，搭建电压放大与功率放大级电路板，焊接相关元器件并制作升压变压器进行测试分析。首先由信号发生器输出峰峰值为5 V、频率为40 kHz的电压信号，经第一级电压放大电路将信号电压峰峰值增大至20 V，然后此信号再通过第二级功率放大电路和升压变压器，最终输出峰峰值为600 V的USM驱动信号。本文中使用RIGOL DS1102E型示波器观察信号输出效果，如图7所示。从图中可以看出，该功率放大电路模块将输入信号稳定放大至预期值，但是存在少量高频信号干扰，需要进行滤波处理，同时以4.7 kΩ电阻作为负载，得到如图8所示信号波形，可以看出最终输出信号波形效果较好。

图7 功率放大电路输出信号波形

图8 负载输出信号波形

5 结论

本文中基于USM驱动技术要求，设计开发了集成运放与变压器组合式功率放大器。 电路低压放大级采用低失真度运放AD811AN芯片，将原始信号准确放大至10 V；电路功率放大级选用高性能集成运放OPA541AM芯片，在保证电路性能的同时，简化了电路设计复杂度及实际调试，并采取两路功率放大芯片并联方式输出信号，提高了功率放大器的驱动负载能力与动态性能。适用于高频信号的EC型铁氧体磁芯，被运用在升压变压器上，此级输出信号能够驱动USM正常工作。对设计的整体电路进行测试，验证了上述相关电路模块的性能，结果表明其具有较好的线性度及稳定性。该功率放大器能够驱动不同功率大小的超声电机，具备一定的通用性。