CN102983776B - 一种超声电机双pwm功率驱动拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超声电机双PWM功率驱动拓扑结构，属于超声电机功率驱动电源领域。其特征在于包括恒流供电PWM_POWER和功率耦合PWM_DRIVE两个PWM组件。恒流供电PWM_POWER的电流输出端与功率耦合PWM_DRIVE的电流输入端相连接。本发明实现了输出电压和输出频率的相互不影响的正交调节；改善了驱动器与负载之间的阻抗匹配，减少了超声电机负载特性阻抗变化所产生的影响；提高了驱动器的能量转换效率。该发明对于实现超声电机的精确控制起着关键的作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声电机双PWM功率驱动拓扑结构，属于超声电机功率驱动电源领域。
背景技术
与传统电机相比，超声电机具有低转速、力矩/质量比大、响应速度快、断电自锁、纳米级分辨率、无电磁干扰等特点。
超声电机需要由超声电机驱动器提供两路正交相位的超声频率来驱动工作。目前，已有的超声电机驱动器的输出级。例如：发明专利 “基于嵌入式***级芯片超声电机驱动控制器（申请日2007年10月23日，申请号 200710134453.3）”所公开了一种超声电机的输出级，采用的是单PWM驱动、串联匹配的功率驱动拓扑结构。其优点是结构形式简单，但是存在输出电压与输出频率的调节相互影响大、匹配效果差、超声电机的动态阻抗影响大、能量转换效率较低等缺点。
发明内容
【发明目的】 本发明的目的在于提供一种的超声电机双PWM功率驱动拓扑结构，能够实现输出电压和输出频率正交调节互不影响、耦合谐振保证了输出电压和阻抗的稳定、并联匹配减少了超声电机动态阻抗的影响等，使能量转换效率得以提高。
【技术方案】
一种超声电机双PWM功率驱动拓扑结构，其特征在于包括恒流供电PWM_POWER和功率耦合PWM_DRIVE两个PWM组件，所述恒流供电PWM_POWER由功率管Q01、Q02和电感器L0组成，功率管Q01、Q02组成图腾柱PWM电源，图腾柱PWM电源的输出经电感器L0由恒流供电PWM_POWER的电流输出端B点输出；所述功率耦合PWM_DRIVE由功率管Q03、Q04和变量器T0组成的变压器耦合式推挽电路及电容器C0、C1和变量器T0组成的耦合谐振并联匹配电路所构成，所述B点连接功率耦合PWM_DRIVE的电流输入端。
【有益效果】 1、恒流供电PWM_POWER和功率耦合PWM_DRIVE之间经过电感器L0变换形成高阻抗的恒流连接，使得恒流供电PWM_POWER独立完成了对输出电压的调节和功率耦合PWM_DRIVE独立完成了对输出频率的调节。从而实现了输出电压和输出频率的相互不影响的正交调节。
2、电容器C0、变量器T0初级的自电感以及次级的反射阻抗构成的初级谐振；电容器C1和超声电机负载特有的静电容相并联后的电容、变量器T0次级的自电感以及初级的反射阻抗构成了次级谐振；初级谐振与次级谐振一并构成了耦合谐振。合理选择电容器C0、C1和变量器T0（自电感与互电感）的参数，可使得双PWM功率驱动拓扑结构所形成耦合谐振的阻抗匹配频率带宽，较单PWM驱动、串联匹配的功率驱动拓扑结构的阻抗匹配频率带宽展宽数倍，同时又改善了驱动器与负载之间的阻抗匹配，减少了超声电机负载特性阻抗变化所产生的影响。
3、变量器T0不仅仅是推挽式换相PWM驱动组件的输出变量器，还是耦合谐振并联匹配电路组件的耦合谐振变量器，在保证功率得到隔离和有效传输的同时，还保证了输出电压和输出阻抗的稳定，提高了驱动器的能量转换效率。
附图说明
图1 – 双PWM功率驱动拓扑结构的电原理框图；
图2 – 恒流供电PWM_POWER电原理框图；
图3 – 功率耦合PWM_DRIVE电原理框图。
图中符号说明如下：
A为恒流供电PWM_POWER电源测试点。
B为恒流供电PWM_POWER电流输出端，也是功率耦合PWM_DRIVE的电流输入端。
Q01、Q02、Q03、Q04为MOSFET功率管。
G01、G02、G03、G04为MOSFET功率管栅极的PWM驱动信号。
L0为电感器。
C0、C1为电容器。
T0为变量器。
VDD为直流供电电源的正极。
GND为直流供电电源的负极。
OUT为功率驱动结构的输出驱动端。
COM为功率驱动结构的输出参考端。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的说明。
本发明的超声电机双PWM功率驱动拓扑结构包括恒流供电PWM_POWER和功率耦合PWM_DRIVE两个PWM组件，如图1所示。恒流供电PWM_POWER由图2所示的功率管Q01、Q02和电感器L0组成。功率耦合PWM_DRIVE由图3所示的功率管Q03、Q04、 C0、C1和变量器T0组成。
恒流供电PWM_POWER中，功率管Q01的漏极接直流电源正极VDD，功率管Q02的源极接直流电源负极GND。功率管Q01源极与功率管Q02漏极连接成测试点A点。功率管Q01接受来自栅极G01的PWM驱动信号的控制，功率管Q02接受来自栅极G02的PWM驱动信号的控制。G01和G02是一对互补的栅极驱动信号，占空比可以调节。功率管Q1、Q2组成的图腾柱PWM电源将直流电源VDD变换成A点占空比可变的PWM电压信号，再通过电感器L0变换成高阻抗的输出电流，经由恒流供电PWM_POWER的电流输出端B点输出。通过改变占空比就可以改变B点的输出电流大小，而不会受到功率耦合PWM_DRIVE的影响。
功率耦合PWM_DRIVE中，功率管Q03、Q04和变量器T0组成变压器耦合式推挽电路。功率管Q03、Q04的源极均连接到直流电源负极GND。功率管Q03漏极接变量器T0初级的始端、功率管Q04漏极接变量器T0初级的尾端，变量器T0初级的中心端接收来自B点输入的恒流供电PWM_POWER的供电电流。B点既是恒流供电PWM_POWER电流输出端，也是功率耦合PWM_DRIVE的电流输入端。功率管Q03接受来自栅极G03的PWM驱动信号的控制，功率管Q04接受来自栅极G04的PWM驱动信号的控制。G03和G04也是一对互补的栅极驱动信号，占空比不需要调节。B点的电流交替由功率管G03或功率管G04按照设定的PWM驱动信号的频率推挽换相切换成双极性频率的功率驱动信号，再通过变量器T0将初级的电流变换成次级的高电压，经由OUT和COM连接至负载。
恒流供电PWM_POWER和功率耦合PWM_DRIVE之间是经过电感器L0所形成的高阻抗的电流通道相连接的，使得恒流供电PWM_POWER和功率耦合PWM_DRIVE能够分别独立完成对输出电压的调节和输出频率的调节。从而，实现了输出电压和输出频率的相互不影响的正交调节。
功率耦合PWM_DRIVE中，电容器C0并联在变量器初级，电容器C0、变量器T0初级的自电感以及次级的反射阻抗构成了初级谐振；电容器C1并联在变量器次级，电容器C1和超声电机负载特有的静电容相并联后的电容、变量器T0次级的自电感以及初级的反射阻抗构成了次级谐振；初级谐振与次级谐振一并构成了耦合谐振。合理选择电容器C0、C1和变量器T0（自电感与互电感）的参数，可使得双PWM功率驱动拓扑结构所形成耦合谐振的阻抗匹配频率带宽，较单PWM驱动、串联匹配的功率驱动拓扑结构的阻抗匹配频率带宽展宽数倍，同时又改善了驱动器与负载之间的阻抗匹配，减少了超声电机负载特性阻抗变化所产生的影响。
变量器T0不仅仅是推挽式换相PWM驱动组件的输出变量器，还是耦合谐振并联匹配电路组件的耦合谐振变量器，在保证功率得到隔离和有效传输的同时，还保证了输出电压和输出阻抗的稳定，提高了驱动器的能量转换效率。
以上实施例子仅用于说明本发明而非限制，虽然对本发明进行了详细的说明，本领域的专业人员应当理解，对本发明的修改和等效置换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。
Claims (1)
1.一种超声电机双PWM功率驱动拓扑结构，其特征在于包括恒流供电PWM_POWER和功率耦合PWM_DRIVE两个PWM组件，所述恒流供电PWM_POWER由功率管Q01、Q02和电感器L0组成，功率管Q01、Q02组成图腾柱PWM电源，图腾柱PWM电源的输出经电感器L0由恒流供电PWM_POWER的电流输出端B点输出；所述功率耦合PWM_DRIVE由功率管Q03、Q04和变量器T0组成的变压器耦合式推挽电路及电容器C0、C1和变量器T0组成的耦合谐振并联匹配电路所构成，所述B点与功率耦合PWM_DRIVE的电流输入端连接；功率管Q01与功率管Q02的连接点为测试点A点，测试点A点与电感器L0的一端连接，电感器L0的另一端连接所述的B点，恒流供电PWM_POWER和功率耦合PWM_DRIVE之间通过电感器L0所形成的高阻抗的电流通道相连接，恒流供电PWM_POWER独立完成对输出电压的调节，功率耦合PWM_DRIVE独立完成对输出频率的调节，从而实现输出电压和输出频率的相互不影响的正交调节；电容器C0并联在变量器初级，电容器C0、变量器T0初级的自电感以及次级的反射阻抗构成了初级谐振；电容器C1并联在变量器次级，电容器C1和超声电机负载特有的静电容相并联后的电容、变量器T0次级的自电感以及初级的反射阻抗构成了次级谐振；初级谐振与次级谐振一并构成了耦合谐振。
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