基于Buck电路的高压压电陶瓷驱动电源设计

研究设计一款基于Buck电路的高压大电流压电陶瓷驱动电源。介绍了该驱动电源的设计方案、主要功能、硬件电路、控制软件以及实验结果。该驱动电源通过Buck并联电路,电流反馈调节输出电压电流。输入信号经巴特沃斯滤波器进行最大限度还原,通过归一化算法将计算结果写回寄存器控制电路。当等效电容5μF压电陶瓷为负载时,在5 Hz～2 kHz正弦信号输入,直流电压1 kV输入条件下,该驱动电源输出驱动电压峰值最高为900 V,输出电流峰值最大为6 A,并且增益可变。实验结果表明,该驱动电源具有高电压大电流的驱动性能,动态性能良好,转换效率高达90%以上,满足压电陶瓷驱动电源的要求。     

环形行波式超声马达变频特性的分析

超声马达通常都工作在谐振频率附近,因此,工作频率的变化对超声马达的输出特性有着非常重要的影响。利用匹配电感和压电陶瓷组成的谐振电路,分析了变频对超声马达驱动电路输出特性的影响;利用超声马达的二维解析模型,仿真了激励频率对超声马达输出特性的影响。仿真和实验结果表明：频率与超声马达输出特性的关系为二次函数。激励频率在超声马达谐振频率附近变化时,驱动电路输出电压的幅值可近似认为不变。     

超声电机驱动电路设计

超声电机(简称为USM)是一种有别于传统电机的新型微特电机。其工作原理是利用压电材料的逆压电效应,把超声频段的电信号加到压电材料—金属构成的定子上,使定子表面产生一定轨迹的机械振动,通过与转子间的摩擦作用来驱动转子运动。由于USM特殊的机械结构和工作原理,使得其需要专用的驱动电源,一般需要输出两相正弦高频电压,并且电压幅值、频率或相位差可调。本文根据USM驱动电路输出电压的要求,利用PWM控制技术设计了一种新型的USM驱动电路,并通过buck斩波变换器实现了USM驱动电路输出的电压调节,最后通过电路仿真,输出了两相相位差90°、幅值可调的高频正弦电压,满足USM驱动控制要求。     

控制量独立可调的超声电机新型驱动器

提出了一种基于PSoC(可编程片上系统)的行波超声电机(TRUM)驱动器.电路包括幅值可调的DC/DC推挽升压电路和频率可调的DC/AC半桥逆变电路.升压电路将15 V直流电提升到250～400 V高压,并通过电压反馈稳定该电压.半桥电路将该高压输出两路相位相差90°的方波电压,用于直接驱动超声电机.通过检测电机孤极电压并调节电机驱动频率来稳定该电压,从而稳定电机转速.所有的控制功能都由一片PSoC芯片实现.通过对一直径45 mm的超声电机进行试验,证明了电机的驱动电压幅值和频率是可以独立调节的,为超声电机的控制提供了一个很好的方法.     

基于DDS超声波电机驱动电源系统的研究

超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应产生的机械振动完成机电能量转换的,具有不受磁场影响、低速大力矩、低噪音、响应快和断电自锁能力强等优越性能,适合应用于机器人、精确定位装置、微型机械、航空航天器等方面。DDS是广泛应用的信号生成方法,其优点是易于程控,输出频率分辨率高,同时芯片的集成度高。以ARM作为控制电路核心,引入DDS技术产生超声波电机的输出波形信号,有效地解决了现有超声波电机压电陶瓷电源输出波形频率、相位等不能程控、电路集成度不高,体积和功耗较大等问题。     

基于压电陶瓷平面内应变的多自由度超声波电机驱动电路研究

介绍了一种新型基于压电陶瓷平面内应变特性的多自由度超声波电机，该电机通过两个平面内的弯曲振动模态的叠加实现转子绕Z轴的转动；并利用伸缩振动模态分别与上述弯曲振动模态叠加实现转子绕X轴和绕Y轴的转动。设计了一种基于直接数字频率合成器(DDS)原理的电机驱动电路，该电路利用在FPGA元件实现的DDS阵列产生四路正弦激励信号，并采用高压运算放大器进行功率放大。该驱动电路的特点是各路驱动信号幅值和频率及驱动信号之间的相位差均可以独立调整。电机样机的机械特性实验以及调节特性实验结果表明该驱动电路满足驱动基于压电陶瓷平面内应变的多自由度超声波电机的要求。     

面内模态直线型超声电机的优化设计

利用矩形薄板面内2个不同模态作为工作模态的直线型超声电机,其频率一致性和压电单元的布置方式以及激励方式对电机的性能和效率有重要的影响。该文根据电机定子的位移振型和应变振型详细分析了压电陶瓷的布置方式和激励方式,并利用参数化有限元方法(finite element method,FEM)对定子结构进行优化设计。设计制作的样机,两相工作模态频率差为270 Hz,在电压峰峰值为350 V、驱动频率为44.16 kHz、预压力为50 N的情况下,电机最大空载速度为100 mm/s,最大输出力为3 N。     

一种微型柱体超声电机的研究

对压电陶瓷片的布局方式与力系数之间的关系进行了分析,证明了压电陶瓷片粘贴在金属弹性体一阶弯振的波谷位置时其激振效率是最高的。研制了一种新型定子结构的微型柱体超声电机。该电机直径5mm,长30mm,重量4.2g。当驱动电压峰峰值为200V,驱动频率为53kHz时,电机最大转速为350r/min,堵转力矩为2.5×10?3N?m。因为这种电机结构比较简单紧凑,便于实现进一步的微型化。所以又利用压电陶瓷管为激励元件,研制出直径2mm,长度7mm,重量为0.258g的微型柱体超声电机。在驱动电压峰峰值为60V,驱动频率75kHz时电机的转速为813r/min。文中详细介绍了这2个微型电机的工作原理、结构特点和设计方法。     

基于DSP的可编程交流电源

研究了一种基于数字信号处理器(DSP)的单相可编程交流电源。该电源不仅能在输出频率和电压幅值很宽的变化范围内稳定交流电压,而且能输出多种高品质、低频率的任意波形。借助于高效的DSP,实现了电路中逆变器数字闭环控制。最后给出实验结果。     

一种新型的压电陶瓷驱动电源研究

为了满足压电陶瓷对驱动电源纹波小的要求,基于两路交错并联电源电路的研究,提出了四路交错并联boost 驱动电源电路的拓扑.四路交错并联boost驱动电源电路中的四条支路可减小输入电流纹波,同时还可减小输出电压纹波,可满足压电陶瓷对驱动电源高稳定性、低纹波、高效率的要求.分析了四路交错并联boost电源电路的基本原理,通...     

超声波电动机定子等效电路模型及驱动电路的阻抗匹配

从分析超声波电动机定子等效电路模型人手,考虑电机容性负载特性,对驱动电路进行了串联电感匹配,改善了驱动电源与电机之间的耦合程度,提高了驱动电源的输出效率,同时匹配电感后电压波形有了明显的改善,并通过实验测试了阻抗匹配的驱动效果,为进一步有效驱动控制超声波电动机提供可靠的依据.     

大容性负载双极性高压功率放大器设计

设计了一种适合压电陶瓷驱动器等大容性负载动态应用的双极性高压功率放大器,它基于误差放大式原理,采用高压集成运放(PA89)驱动多组并联功率放大级的电路结构,在实现双极性高电压输出的同时具有很强的电流驱动能力.该放大器驱动等效电容为2.5μF的压电陶瓷驱动器时,能实现单端到地-500～+500V高压输出,电压增益40dB...     

新型选频调压电源的研制

给出了一种最新的实现AC～DC～AC转换的电源研制过程,由单相交流220V电压输入,经过不可调控整流电路和可控斩波电路,再进入可控逆变电路,最终得到连续可调的单相正弦波交流输出电压。同时,控制单元根据输入的同步信号,可以调节调制波的相位,实现输出电压相位0～360°范围内的调节,并且通过使用跳线电平来选用不同频率的电压。实验结果证明了此电源装置研制的可行性、有效性和实用性。     

A single-mode Mn-doped 0.27PIN-0.46PMN-0.27PT single-crystal ultrasonic motor

Mn-modified rhombohedral phase yPb(In_1/2Nb_1/2)O₃-(1-x-y)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃ (PIN-PMN-PT:Mn) single crystal has attracted considerable attention for its outstanding piezoelectric properties and high mechanical quality factor. Here, we report a device innovation using Mn doped 0.27PIN-0.46PMN-0.27PT single crystal in a single-mode piezoelectric ultrasonic motor. Based on the analyses of actuator characteristics with finite element method, the PIN-PMN-PT:Mn crystal actuator predicts lower excitation frequency, lower driving voltage, and less power loss comparing with the PZT ceramic actuator. A prototype motor (size: 12 × 6 × 1.5 mm³) was fabricated and tested. The typical output of this PIN-PMN-PT:Mn motor is a speed up to 42.3 cm/s, a driving torque of 0.42 N cm, and an output power density of 0.45 W/cm³, under the driving voltage of 21 V_0?P. This work presents that PIN-PMN-PT:Mn single crystal is quite advantageous in making miniaturized and high-power piezoelectric ultrasonic motors.     

一种用于相移干涉仪的高压放大电路

基于自主研制高精度数字化相移干涉仪的需求,针对干涉仪的压电陶瓷移相器设计了一种高压放大电路。通过双极性运算放大器OP07构成低噪声,非斩波稳零的低压放大电路与中功率线性三极管MJE340和MJE350构成高压放大电路进行直流耦合,结合反馈网络,功率放大电路,滤波电路以及限流保护电路,将计算机输出的0~5 V低电压的移相控制信号稳定线性放大到-30 V~+130 V范围,且输出低至10 mV 峰值的纹波,满足压电陶瓷移相器的高压驱动控制要求和相移干涉仪的高精度移相测量的要求。     

“工字形”直线超声电机的结构设计与模态分析

为了提高直线超声电机的输出性能,研制了纵弯复合模态“工字形”直线超声电机,对“工字形”弹性体的几种复合振动模态及其驱动方案进行了分析,确定了振子的工作模态。完成了“工字形”振子的结构设计,利用ANSYS软件对“工字形”压电振子进行了优化设计,确定了定子各结构参数。纵向伸缩振动模态固有频率和弯曲振动模态固有频率分别为33.07kHz和33.08kHz,频率差8Hz。根据优化设计结果,试制了原理样机。对样机的输出性能进行了实验研究。实验结果表明:当驱动频率为31.10 kHz,激励电压峰峰值为250V时,电机动子Vmax为240mm/s;驱动力Fmax为0.5N。     

基于CCD解调的光纤光栅电压传感器

电能质量的好坏直接影响用电设备和电力系统能否正常运行,精确测量电压幅值和频率是分析电能质量的关键。提出了一种基于CCD解调的光纤光栅(FBG)电压传感器,利用压电陶瓷的逆压电效应改变粘贴在压电陶瓷上的FBG波长,采用CCD模块实时解调FBG波长的变化,提取被测电压的幅值和频率信息。理论分析了加载电压与光栅波长变化的关系,搭建了带温度补偿的传感系统,实验研究了传感器的静态、动态特性。实验结果表明,该传感器的线性拟合度为0.995,非线性误差为2.998%,电压灵敏度达到8.47 pm/V,能较好检测正弦电压的频率以及谐波信息,这为在复杂环境评估电能质量提供了参考。     

变频器供电异步电动机绝缘系统概述

变频器供电异步电动机通常指变频调速电动机（以下简称电动机）。大多变频器输出PWM脉宽调制波形,含有大量谐波,将增加附加损耗。变频器输出电压的峰值较高,对电动机的绝缘造成严重的威胁,产生的高次谐波会导致电动机绝缘被击穿。由于变频电源的特殊性,以及系统对高速或低速运转、转速动态响应的需求,对作为动力主体的电动机,提出苛刻的要求,尤其是电动机绝缘系统。为更好地消除因变频器供电对电动机绝缘系统产生的不利影响,对电磁线槽绝缘、相间绝缘、浸渍漆、浸漆工艺予以概述。     

一种多路压电驱动控制系统的研制及实验研究

针对粉体微输送的基本要求,提出一种基于DDS技术的多路压电控制系统的设计方案,系统包括了波形存储模块、基准频率产生模块、基准电压设置模块以及D/A输出模块等。系统可以实现多路信号的独立控制和输出,电压范围为0~100 V,频率范围为0~256 Hz,最后以羟基磷灰石和钛粉为例,进行了多路粉体微输送实验,结果表明所设计的系统完全满足多种粉体微输送的要求,并且具有非常高的稳定性和可靠性。