1.引言

隨著超聲電機(jī)的理論研究和工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，對(duì)驅(qū)動(dòng)電源提出了小型化、通用化、智能化和集成化地要求。作為交流電源，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的種類繁多。它們大多都應(yīng)用在電壓比較大或頻率比較高的場(chǎng)合[1]。常用的驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)的電源一般由四部分組成：信號(hào)發(fā)生電路、移相電路、功率放大電路和變壓器[2]?，F(xiàn)在變頻調(diào)速已經(jīng)成為一種主流的電機(jī)調(diào)速方案，許多驅(qū)動(dòng)電路均選擇采用該項(xiàng)技術(shù)。本設(shè)計(jì)中，由于在信號(hào)發(fā)生電路中巧妙地選擇了精密函數(shù)發(fā)生器ICL8038芯片，通過(guò)調(diào)節(jié)ICL8038的輸入電壓的大小，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的調(diào)頻調(diào)幅，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的調(diào)幅調(diào)頻，達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。本設(shè)計(jì)無(wú)需另加變頻電路和調(diào)幅電路，節(jié)省了硬件空間。同時(shí)，本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源采用兩相輸出，原理上是一模一樣的，由于分別可以調(diào)相，從而在電機(jī)的兩相輸入時(shí)，輸入信號(hào)有一個(gè)相位差，通過(guò)調(diào)節(jié)相位差，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

本設(shè)計(jì)占用最小的硬件空間，采用純模擬器件，同時(shí)能夠調(diào)頻調(diào)幅和調(diào)相，是一款較為實(shí)用的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。

2.超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主要功能

圖1 總體硬件框架圖

圖2 信號(hào)發(fā)生電路

圖3 移相電路

圖4 功率放大電路

圖5 輸入頻率為30kHz，相移為82°

圖6 輸入頻率為40kHz，相移為63.4°

基于功率放大器的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源由四部分組成，信號(hào)發(fā)生電路、移相電路、功率放大電路和變壓器，要求能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相的功能。信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生頻率可調(diào)的超聲頻率正弦波信號(hào)，經(jīng)過(guò)分頻相移電路產(chǎn)生有相位差的兩相信號(hào)，作為功率放大電路的控制信號(hào)。功放電路完成兩個(gè)功能：功率放大和負(fù)載匹配，功率放大將控制信號(hào)放大。變壓器把功放輸出信號(hào)升壓，以達(dá)到滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓要求。

2.2 硬件設(shè)計(jì)思路

通過(guò)方案的比較和設(shè)計(jì)思路的分析以及元件的選擇，已基本確定系統(tǒng)的基本構(gòu)成，總體硬件框架圖如圖1所示。

3.系統(tǒng)電路分析

本設(shè)計(jì)電路包括了四個(gè)重要組成部分：信號(hào)發(fā)生電路、移相電路、功率放大電路和變壓器升壓，每部分在電路中都承擔(dān)著不同的任務(wù)。信號(hào)發(fā)生電路要產(chǎn)生頻率為40kHz，且幅值可調(diào)的正弦波波形；移相電路實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的0°～180°移相功能；功率放大電路現(xiàn)實(shí)放大輸入電流，進(jìn)而放大功率的功能，要求能輸出電壓為24V左右，電流1到2安培，功率為40W左右的輸出信號(hào)。由于變壓器升壓有現(xiàn)成模塊，故在這里不做深究。

3.1 信號(hào)發(fā)生電路分析

本設(shè)計(jì)中采用的信號(hào)發(fā)生電路是信號(hào)發(fā)生器ICL8038典型的應(yīng)用電路[3]，如圖2所示。

由圖2可以看出ICL8038各端口外接電路的情況。8引腳接頻率調(diào)節(jié)電源，引腳4、5、9都是經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻接+Vcc，這里的Vcc取10V。引腳10和12分別經(jīng)過(guò)一個(gè)電容和電阻接-Vcc，Vcc也是取10V。而引腳6、11則直接分別引到正Vcc和負(fù)Vcc。經(jīng)過(guò)計(jì)算，R11、R12、R13均取10k，R14取82k，而電容C3則取3300pF。由于信號(hào)發(fā)生電路輸出的電流較小，所以R15一般應(yīng)取幾十千歐姆左右。

輸出信號(hào)的調(diào)幅通過(guò)改變8腳的電壓輸入大小實(shí)現(xiàn)，輸出信號(hào)的調(diào)頻則由R11、R12、C3以及引腳8的電位決定。

3.2 移相電路理論分析

本設(shè)計(jì)采用的移相電路見(jiàn)圖3，通過(guò)理論計(jì)算可證明，它能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的移相功能[4]。

由圖3可知：

由(5)式可知輸出幅頻特性恒等于1，即電路的增益為1，波形的幅值沒(méi)有變化，符合移相的目的。由(6)式觀察相頻特性，可知改變相位差，可以通過(guò)改變輸入頻率w，可變電阻R和電容C來(lái)實(shí)現(xiàn)，而由于電容一般是固定的，所以在這里我們主要通過(guò)w和R來(lái)改變相位差。

3.3 功率放大電路原理分析

本設(shè)計(jì)選用準(zhǔn)互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，整個(gè)功率放大電路由兩個(gè)電阻，四個(gè)二極管，兩個(gè)PNP，兩個(gè)NPN和一個(gè)電容組成[5]。

Q1，Q2，Q3，Q4：上述互補(bǔ)對(duì)稱放大電路要求一對(duì)特性一致的NPN和PNP型功率輸出管。在輸出功率不太大時(shí)，較容易適配管子，但在要求輸出功率較大時(shí)，就難以配對(duì)。利用復(fù)合管結(jié)構(gòu)，可以消除兩邊的不對(duì)稱性，同時(shí)還能增大放大倍數(shù)。在這里，Q1和Q2，Q3和Q4分別組成復(fù)合管。

另外，根據(jù)復(fù)合管T1，T2各級(jí)電流的流向和近似關(guān)系，可以得出復(fù)合管連接原則和等效管型判別方法：(1)按T1，T2管電流前后一致的規(guī)律連接；(2)復(fù)合后的等效管型取決于前一只管子T1的管型；(3)復(fù)合后等效管的總電流放大系數(shù)B=B1*B2。

4.實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，驅(qū)動(dòng)電源的輸出可實(shí)現(xiàn)調(diào)相、調(diào)幅和調(diào)頻，符合本設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)的要求，達(dá)到預(yù)期目的。

從以上電路分析可得知通過(guò)改變可變電阻，可實(shí)現(xiàn)移相的功能，同時(shí)這也是本設(shè)計(jì)移相的主要方法。圖6中，波形的周期為25us。設(shè)為T。右下角的數(shù)據(jù)即為A相超前（滯后）B相的時(shí)間，為方便表達(dá)，設(shè)為t。故移相的相位為φ =t*2Π/T 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)與理論計(jì)算對(duì)比，有一定誤差，但在控制范圍內(nèi)。

5.結(jié)論

本文提出的基于功率放大器的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為40kHz左右的正弦波信號(hào)作為輸入信號(hào)，通過(guò)改變函數(shù)發(fā)生器的輸入電壓可改變產(chǎn)生波形的頻率和幅值，移相電路采用了RC移相電路中典型的0～90°移相，在電路能實(shí)現(xiàn)調(diào)相的目的。采用了功率三極管TIP41C及其對(duì)管，放大了電流，從而達(dá)到放大功率的目的。

系統(tǒng)的變頻調(diào)節(jié)是通過(guò)改變輸入信號(hào)的頻率實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的大小可以調(diào)幅。由于本系統(tǒng)有兩路輸出，改變兩個(gè)移相電路的可變電阻，可實(shí)現(xiàn)輸出的相位差的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)相調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。

本設(shè)計(jì)不僅可對(duì)正弦波實(shí)現(xiàn)低高頻移相和放大的功能，對(duì)方波，三角波等波形亦可實(shí)現(xiàn)放大，這是本驅(qū)動(dòng)電源最大的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)正弦波外的波形不能實(shí)現(xiàn)移相。

[1]曹操軍,陳潤(rùn)恩,王桂英.變交流術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2002,1-178.

[2]童詩(shī)白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2001,1-208.

[3]吳運(yùn)昌.模擬電子線路基礎(chǔ)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,1998,1-236.

[4]康華光,陳大欽,張林.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分(第三版)[M].北京:高等教育出版社,2005,1-500.

[5]謝沅清.電子電路基礎(chǔ)[M].北京:人民郵電出版社,1999,1-200.