一種超聲電機雙pwm功率驅動拓撲結構的製作方法
2023-07-23 23:19:06 2
專利名稱：一種超聲電機雙pwm功率驅動拓撲結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲電機雙PWM功率驅動拓撲結構，屬於超聲電機功率驅動電源領域。
背景技術：
與傳統電機相比，超聲電機具有低轉速、力矩/質量比大、響應速度快、斷電自鎖、 納米級解析度、無電磁幹擾等特點。
超聲電機需要由超聲電機驅動器提供兩路正交相位的超聲頻率來驅動工作。目前，已有的超聲電機驅動器的輸出級。例如發明專利「基於嵌入式系統級晶片超聲電機驅動控制器(申請日2007年10月23日，申請號200710134453. 3)」所公開了一種超聲電機的輸出級，採用的是單PWM驅動、串聯匹配的功率驅動拓撲結構。其優點是結構形式簡單，但是存在輸出電壓與輸出頻率的調節相互影響大、匹配效果差、超聲電機的動態阻抗影響大、 能量轉換效率較低等缺點。
發明內容
發明目的本發明的目的在於提供一種的超聲電機雙PWM功率驅動拓撲結構，能夠實現輸出電壓和輸出頻率正交調節互不影響、耦合諧振保證了輸出電壓和阻抗的穩定、並聯匹配減少了超聲電機動態阻抗的影響等，使能量轉換效率得以提高。
技術方案一種超聲電機雙PWM功率驅動拓撲結構，其特徵在於包括恆流供電PWM_P0WER和功率耦合PWM_DRIVE兩個PWM組件，所述恆流供電PWM_P0WER由功率管QOl、Q02和電感器LO組成，功率管Q01、Q02組成圖騰柱PWM電源，圖騰柱PWM電源的輸出經電感器LO由恆流供電 PWM_P0WER的電流輸出端B點輸出；所述功率耦合PWM_DRIVE由功率管Q03、Q04和變量器 TO組成的變壓器耦合式推挽電路及電容器C0、C1和變量器TO組成的耦合諧振並聯匹配電路所構成，所述B點連接功率耦合PWM_DRIVE的電流輸入端。
有益效果I、恆流供電PWM_P0WER和功率耦合PWM_DRIVE之間經過電感器LO 變換形成高阻抗的恆流連接，使得恆流供電PWM_P0WER獨立完成了對輸出電壓的調節和功率耦合PWM_DRIVE獨立完成了對輸出頻率的調節。從而實現了輸出電壓和輸出頻率的相互不影響的正交調節。
2、電容器CO、變量器TO初級的自電感以及次級的反射阻抗構成的初級諧振；電容器Cl和超聲電機負載特有的靜電容相併聯後的電容、變量器TO次級的自電感以及初級的反射阻抗構成了次級諧振；初級諧振與次級諧振一併構成了耦合諧振。合理選擇電容器 COXl和變量器TO (自電感與互電感)的參數，可使得雙PWM功率驅動拓撲結構所形成耦合諧振的阻抗匹配頻率帶寬，較單PWM驅動、串聯匹配的功率驅動拓撲結構的阻抗匹配頻率帶寬展寬數倍，同時又改善了驅動器與負載之間的阻抗匹配，減少了超聲電機負載特性阻抗變化所產生的影響。
3、變量器TO不僅僅是推挽式換相PWM驅動組件的輸出變量器，還是耦合諧振並聯匹配電路組件的耦合諧振變量器，在保證功率得到隔離和有效傳輸的同時，還保證了輸出電壓和輸出阻抗的穩定，提高了驅動器的能量轉換效率。
圖I -雙PWM功率驅動拓撲結構的電原理框圖；圖2 -恆流供電PWM_P0WER電原理框圖；圖3 -功率耦合PWM_DRIVE電原理框圖。
圖中符號說明如下A為恆流供電PWM_P0WER電源測試點。
B為恆流供電PWM_P0WER電流輸出端，也是功率耦合PWM_DRIVE的電流輸入端。
Q01、Q02、Q03、Q04 為 MOSFET 功率管。
G01、G02、G03、G04為MOSFET功率管柵極的PWM驅動信號。
LO為電感器。
CO、Cl為電容器。
TO為變量器。
VDD為直流供電電源的正極。
GND為直流供電電源的負極。
OUT為功率驅動結構的輸出驅動端。
COM為功率驅動結構的輸出參考端。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明進行詳細的說明。
本發明的超聲電機雙PWM功率驅動拓撲結構包括恆流供電PWM_P0WER和功率耦合 PWM_DRIVE兩個PWM組件，如圖I所示。恆流供電PWM_P0WER由圖2所示的功率管Q01、Q02 和電感器LO組成。功率耦合PWM_DRIVE由圖3所示的功率管Q03、Q04、CO、Cl和變量器 TO組成。
恆流供電PWM_P0WER中，功率管QOl的漏極接直流電源正極VDD，功率管Q02的源極接直流電源負極GND。功率管QOl源極與功率管Q02漏極連接成測試點A點。功率管QOl 接受來自柵極GOl的PWM驅動信號的控制，功率管Q02接受來自柵極G02的PWM驅動信號的控制。GOl和G02是一對互補的柵極驅動信號，佔空比可以調節。功率管Q1、Q2組成的圖騰柱PWM電源將直流電源VDD變換成A點佔空比可變的PWM電壓信號，再通過電感器LO 變換成高阻抗的輸出電流，經由恆流供電PWM_P0WER的電流輸出端B點輸出。通過改變佔空比就可以改變B點的輸出電流大小，而不會受到功率耦合PWM_DRIVE的影響。
功率耦合PWM_DRIVE中，功率管Q03、Q04和變量器TO組成變壓器耦合式推挽電路。功率管Q03、Q04的源極均連接到直流電源負極GND。功率管Q03漏極接變量器TO初級的始端、功率管Q04漏極接變量器TO初級的尾端，變量器TO初級的中心端接收來自B點輸入的恆流供電PWM_P0WER的供電電流。B點既是恆流供電PWM_P0WER電流輸出端，也是功率耦合PWM_DRIVE的電流輸入端。功率管Q03接受來自柵極G03的PWM驅動信號的控制，功率管Q04接受來自柵極G04的PWM驅動信號的控制。G03和G04也是一對互補的柵極驅動信號，佔空比不需要調節。B點的電流交替由功率管G03或功率管G04按照設定的PWM驅動信號的頻率推挽換相切換成雙極性頻率的功率驅動信號，再通過變量器TO將初級的電流變換成次級的高電壓，經由OUT和COM連接至負載。
恆流供電PWM_P0WER和功率耦合PWM_DRIVE之間是經過電感器LO所形成的高阻抗的電流通道相連接的，使得恆流供電PWM_P0WER和功率耦合PWM_DRIVE能夠分別獨立完成對輸出電壓的調節和輸出頻率的調節。從而，實現了輸出電壓和輸出頻率的相互不影響的正交調節。
功率耦合PWM_DRIVE中，電容器CO並聯在變量器初級，電容器CO、變量器TO初級的自電感以及次級的反射阻抗構成了初級諧振；電容器Cl並聯在變量器次級，電容器Cl和超聲電機負載特有的靜電容相併聯後的電容、變量器TO次級的自電感以及初級的反射阻抗構成了次級諧振；初級諧振與次級諧振一併構成了耦合諧振。合理選擇電容器CO、Cl和變量器TO (自電感與互電感)的參數，可使得雙PWM功率驅動拓撲結構所形成耦合諧振的阻抗匹配頻率帶寬，較單PWM驅動、串聯匹配的功率驅動拓撲結構的阻抗匹配頻率帶寬展寬數倍，同時又改善了驅動器與負載之間的阻抗匹配，減少了超聲電機負載特性阻抗變化所產生的影響。
變量器TO不僅僅是推挽式換相PWM驅動組件的輸出變量器，還是耦合諧振並聯匹配電路組件的耦合諧振變量器，在保證功率得到隔離和有效傳輸的同時，還保證了輸出電壓和輸出阻抗的穩定，提高了驅動器的能量轉換效率。
以上實施例子僅用於說明本發明而非限制，雖然對本發明進行了詳細的說明，本領域的專業人員應當理解，對本發明的修改和等效置換，而不脫離本發明的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍之內。
權利要求
1.一種超聲電機雙PWM功率驅動拓撲結構，其特徵在於包括恆流供電PWM_POWER和功率耦合PWM_DRIVE兩個PWM組件，所述恆流供電PWM_POWER由功率管QOl、Q02和電感器LO組成，功率管Q01、Q02組成圖騰柱PWM電源，圖騰柱PWM電源的輸出經電感器LO由恆流供電PWM_POWER的電流輸出端B點輸出；所述功率耦合PWM_DRIVE由功率管Q03、Q04和變量器TO組成的變壓器耦合式推挽電路及電容器C0、C1和變量器TO組成的耦合諧振並聯匹配電路所構成，所述B點與功率耦合PWM_DRIVE的電流輸入端連接。
2.根據權利要求I所述超聲電機雙PWM功率驅動拓撲結構，其特徵在於功率管QOl與功率管Q02的連接點為測試點A點，測試點A點與電感器LO的一端連接，電感器LO的另一端連接所述的B點，恆流供電PWM_POWER和功率耦合PWM_DRIVE之間通過電感器LO所形成的高阻抗的電流通道相連接，恆流供電PWM_POWER獨立完成對輸出電壓的調節，功率耦合PWM_DRIVE獨立完成對輸出頻率的調節，從而實現輸出電壓和輸出頻率的相互不影響的正交調節。
3.根據權利要求I所述超聲電機雙PWM功率驅動拓撲結構，其特徵在於電容器CO並聯在變量器初級，電容器CO、變量器TO初級的自電感以及次級的反射阻抗構成了初級諧振；電容器Cl並聯在變量器次級，電容器Cl和超聲電機負載特有的靜電容相併聯後的電容、變量器TO次級的自電感以及初級的反射阻抗構成了次級諧振；初級諧振與次級諧振一併構成了耦合諧振。
全文摘要
本發明公開一種超聲電機雙PWM功率驅動拓撲結構，屬於超聲電機功率驅動電源領域。其特徵在於包括恆流供電PWM_POWER和功率耦合PWM_DRIVE兩個PWM組件。恆流供電PWM_POWER的電流輸出端與功率耦合PWM_DRIVE的電流輸入端相連接。本發明實現了輸出電壓和輸出頻率的相互不影響的正交調節；改善了驅動器與負載之間的阻抗匹配，減少了超聲電機負載特性阻抗變化所產生的影響；提高了驅動器的能量轉換效率。該發明對於實現超聲電機的精確控制起著關鍵的作用。
文檔編號H02M5/16GK102983776SQ20121045171
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月13日 優先權日2012年11月13日
發明者梁大志, 時運來, 張軍, 趙淳生 申請人:南京航空航天大學