超聲電機驅(qū)動功率放大電路

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(集美大學(xué) 機械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

超聲電機(USM)的驅(qū)動信號是具有一定功率的高頻、高壓正弦交流信號[1-4]，由驅(qū)動電路產(chǎn)生的原始小信號必須經(jīng)功率放大，才能滿足USM穩(wěn)定運行的驅(qū)動技術(shù)要求。USM使用壓電陶瓷作為驅(qū)動關(guān)鍵元件，考慮到其存在遲滯、非線性、儲存電荷、驅(qū)動能力大等特性[4-6]，要求設(shè)計的信號功率放大電路應(yīng)具有穩(wěn)壓性好、輸出電壓較大、線性度高、非線性失真度小、電流驅(qū)動能力強等特點，從而產(chǎn)生較為理想的驅(qū)動效果。目前，對該信號進行功率放大主要有2種方法：一是利用功率金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)作為輸出級搭設(shè)的甲乙類對稱功率放大電路，這種開關(guān)式電路效率高，但輸出信號電壓波動大，電路實現(xiàn)復(fù)雜，頻率特性也較差[7]；二是直接選用高壓運算放大芯片設(shè)計功放電路[4]，如APEX公司出品的PA89、PA95等系列運算放大器(簡稱運放)，具有靜態(tài)性能好、電路結(jié)構(gòu)簡單、輸出電壓高(峰峰值可達900 V)等優(yōu)點，但輸出電流小于200 mA，限制了其動態(tài)性能[7]，同時芯片供電電壓要求嚴格，而且價格高達數(shù)千元，不利于USM的應(yīng)用推廣。

本文中針對USM的驅(qū)動技術(shù)要求，設(shè)計開發(fā)出一種適用于USM的功率放大電路。 該功率放大電路是以通用運放AD811AN為基礎(chǔ)，附加2個并聯(lián)的功率放大芯片及升壓變壓器，從而獲得數(shù)十伏至數(shù)百伏區(qū)間內(nèi)的輸出信號，同時該電路模塊采用集成運放，很大程度上減少了復(fù)雜電路計算，有利于實現(xiàn)USM驅(qū)動器的集成化與微型化，并擁有較好的穩(wěn)定性、可靠性及經(jīng)濟性，能夠滿足各功率類型超聲電機驅(qū)動需求。

1 USM驅(qū)動器工作原理

目前較成熟的USM驅(qū)動器基本工作原理如圖1所示，其主要由信號發(fā)生電路、濾波電路、移相電路與功率放大電路等部分組成。該驅(qū)動器首先由信號發(fā)生電路輸出2路或4路可調(diào)頻率的同頻等幅方波電壓信號，這些信號需要經(jīng)過濾波電路轉(zhuǎn)換成4路光滑的正弦電壓，并連接移相電路用于調(diào)整信號相位，然后功率放大電路對輸入信號進行一定的功率放大，使得到的高頻、高壓正弦信號可以驅(qū)動USM正常運行。

圖1 超聲電機驅(qū)動器工作原理

2 功率放大電路設(shè)計方案

基于USM驅(qū)動信號要求，該功率放大電路的設(shè)計指標如表1所示。本設(shè)計要求輸入信號正弦交流電壓幅值在-10～+10 V范圍內(nèi)，電路能夠輸出最大電壓峰峰值為600 V、工作頻率在20～60 kHz的驅(qū)動信號。同時考慮到功率運放芯片的工作溫度較高，需采用散熱片冷卻。

本文中設(shè)計開發(fā)的USM組合式功率放大電路的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，主要由電壓放大級、功率放大級和升壓變壓器組成。首先，原始輸入信號通過電壓運算放大級驅(qū)動將信號電壓放大，最大電壓峰值為10 V；然后進入由2個功放芯片OPA541AM組成的功率放大級，得到最大電壓峰值為20 V、連續(xù)輸出電流為10 A的交流信號；最后，由變壓器將信號電壓增大到數(shù)百伏，峰峰值電壓最大可以達到600 V，從而適用于各種功率大小的USM，具有良好的通用性。

表1 功率放大電路設(shè)計指標

圖2 功率放大電路原理

3 電路設(shè)計與分析

3.1 電壓放大級電路

電壓放大級電路的運放芯片選用高速、寬波段、低失真度運算放大器AD811AN。該芯片在10倍增益、3 dB噪聲條件下，帶寬可達100 MHz，轉(zhuǎn)換速率為2 500 V/μs，其輸出電壓幅值可達±12 V，完全滿足信號工作頻率和電壓峰峰值要求。設(shè)計采用同相放大電路連接方式，供電電源電壓為±15 V，輸入信號電壓放大倍數(shù)G為1+R3/R2，可調(diào)電阻R3控制放大倍數(shù)，生成的信號最大電壓峰峰值為20 V，電路如圖3所示，其中，供電電源接電容0.1、10 μF用于穩(wěn)定電壓。該電路采用Multisim進行仿真分析，結(jié)果見圖4。從圖中可以看出，信號被正確放大到±10 V，滿足設(shè)計要求。

3.2 功率放大級電路

功率放大級電路的作用是將前級信號幅值和功率進行放大，經(jīng)查看多款功放芯片資料后，本設(shè)計最終選用Burr-Brown公司生產(chǎn)的OPA541AM型高性能功率放大器。 該芯片電源輸入電壓最高可達± 40 V，可連續(xù)輸出5 A大電流，具有足夠的驅(qū)動負載能力，同時內(nèi)部存在過流保護電路，性能優(yōu)秀且性價比高，滿足超聲電機驅(qū)動需求。具體設(shè)計電路如圖5所示，電路結(jié)構(gòu)依然采用同相放大接法，電源電壓采用典型輸入電壓±30 V，并利用2個功率運算放大器OPA541AM并聯(lián)工作，從而獲得更大的輸出功率。

圖3 電壓放大級電路圖

圖4 電壓放大級仿真圖

其中，功率運放U1的頻率特性通過推導(dǎo)可得

(1)

因此,該部分電路增益為

(2)

式中：ω為角頻率；C為電容；R1、R2、R3為電阻。

功率運算放大器OPA541AM外接電阻，從而限流保護電路。其阻值由R3確定。2個功率運算放大器需分別輸出5 A電流，則R3為0.1 Ω。其中，C3、C4、C5、C6為去耦電容，用來穩(wěn)定電源。利用Multisim進行仿真分析，結(jié)果見圖6。由圖可以看出，輸出信號電壓幅值為±20 V，且波形無明顯失真。

圖6 功率放大級仿真圖

3.3 升壓變壓器設(shè)計

USM的驅(qū)動要求適當?shù)母唠妷?、小電流信號，而上述設(shè)計的功放電路電壓放大倍數(shù)有限，其峰峰值最大為數(shù)十伏，不能滿足驅(qū)動要求，因此必須設(shè)計合理的升壓變壓器，將前級功放電路輸出的信號電壓增大。該變壓器工作頻率為20～60 kHz，遠大于大多數(shù)電力變壓器，為了提高其性能和降低損耗，本文中選用EC型鐵氧體磁芯，鐵氧體材料具有剩余磁感應(yīng)強度小、磁導(dǎo)率及飽和磁感應(yīng)強度大等特性[8-9]，適用于高頻變壓器。同時采用面積乘法(AP)設(shè)計此變壓器[9-10]，該方法通過利用變壓器變比、工作頻率及功率，計算出磁芯窗口面積與磁芯橫截面積的乘積。相關(guān)已知參數(shù)如表2所示。

首先，通過推導(dǎo)變壓器視在功率Ps、輸入功率Pi及輸出功率Po之間的關(guān)系，可得視在功率為

Ps=Pi+Po=Po(1+1/η)，

(3)

式中η為變壓器效率。

然后，根據(jù)磁芯窗口面積Aw、磁芯有效截面積Ae與各個參數(shù)量之間的關(guān)系進行推導(dǎo)，得到公式

表2 變壓器已知參數(shù)

(4)

式中：J為電流密度；Bw為工作磁通密度；f為工作頻率；Ku為窗口利用系數(shù)；Kf為波形系數(shù)。

電流密度J和面積乘積值A(chǔ)p的關(guān)系式為

(5)

式中Kj為電流密度系數(shù)。

將(4)、(5)式代入Ap=AwAe，進而可得面積乘積為

(6)

由于考慮到面積乘積Ap需要留有一定合適的余量，因此選用EC-35型鐵氧體磁芯。 該磁芯面積乘積、磁芯窗口面積與磁芯有效橫截面積分別為：Ap=1.201 2 cm4，Aw=107.25 mm2，Ae=112 mm2。根據(jù)這些數(shù)值，進行如下計算：

原邊線圈匝數(shù)Np為

(7)

副邊線圈匝數(shù)Ns為

(8)

原邊電流Ip為

(9)

副邊電流Is為

Is=Po/Vs=0.6 A；

(10)

原邊導(dǎo)線截面積Awp為

Awp=Is/J=0.025 4 cm2；

(11)

副邊導(dǎo)線截面積Aws為

Aws=Ip/J=1.52×10-3cm2。

(12)

通過查詢美國線規(guī)(AWG)并考慮一定余量，選用線徑為1.8 mm的原邊導(dǎo)線和線徑為0.44 mm的副邊導(dǎo)線，匝數(shù)分別為6、90。

4 測試與分析

依據(jù)上述設(shè)計電路及其參數(shù)，搭建電壓放大與功率放大級電路板，焊接相關(guān)元器件并制作升壓變壓器進行測試分析。首先由信號發(fā)生器輸出峰峰值為5 V、頻率為40 kHz的電壓信號，經(jīng)第一級電壓放大電路將信號電壓峰峰值增大至20 V，然后此信號再通過第二級功率放大電路和升壓變壓器，最終輸出峰峰值為600 V的USM驅(qū)動信號。本文中使用RIGOL DS1102E型示波器觀察信號輸出效果，如圖7所示。從圖中可以看出，該功率放大電路模塊將輸入信號穩(wěn)定放大至預(yù)期值，但是存在少量高頻信號干擾，需要進行濾波處理，同時以4.7 kΩ電阻作為負載，得到如圖8所示信號波形，可以看出最終輸出信號波形效果較好。

圖7 功率放大電路輸出信號波形

圖8 負載輸出信號波形

5 結(jié)論

本文中基于USM驅(qū)動技術(shù)要求，設(shè)計開發(fā)了集成運放與變壓器組合式功率放大器。 電路低壓放大級采用低失真度運放AD811AN芯片，將原始信號準確放大至10 V；電路功率放大級選用高性能集成運放OPA541AM芯片，在保證電路性能的同時，簡化了電路設(shè)計復(fù)雜度及實際調(diào)試，并采取兩路功率放大芯片并聯(lián)方式輸出信號，提高了功率放大器的驅(qū)動負載能力與動態(tài)性能。適用于高頻信號的EC型鐵氧體磁芯，被運用在升壓變壓器上，此級輸出信號能夠驅(qū)動USM正常工作。對設(shè)計的整體電路進行測試，驗證了上述相關(guān)電路模塊的性能，結(jié)果表明其具有較好的線性度及穩(wěn)定性。該功率放大器能夠驅(qū)動不同功率大小的超聲電機，具備一定的通用性。