專用超聲波電機驅動電路研究

專用超聲波電機驅動電路研究 分類號ＴＰ２７１．４—５３３（１）ＵＤＣ 密級 公開 編號 中國工程物理研究院 專用超聲波電機驅動電路研究指導教師姓名 文貴印研究員申請學位級別工學碩士專業名稱通信與信息系統 論文提交日期 ２００５．３．１５論文答辯日期２００５．４．２８ 學位授予單位和日期 中國工程物理研究院 答辯委員會主席 ２００５年３月１５日專用超聲波電機驅動電路研究 摘要 超聲波電機（ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＭｏｔｏｒ簡稱ＵＳＭ）是一種新型的微特電機，有別於傳統的 電磁電機。在本文引言中，說明了ＵＳＭ與傳統電磁電機相比的主要優點、基本組成及 應用前景，同時說明了開展專用ＵＳＭ的驅動電路研究工作的背景及主要工作內容，作 者要完成設計、樣品加工及應用三部分工作等，此論文就是這三部分研究工作的總結。 首先，根據對驅動電路的要求，結合國內外傳統壓電馬達驅動電路的系統方案，設 計出專用超聲波電機的驅動電路的系統方案。在本方案中增加了位置檢測與歸零單元， 去掉了頻率跟蹤單元，採用ＤＳＰ作為控制單元，整合了電機驅動信號產生、電機選擇 與啟動、位置檢測信號處理和特殊信號解碼等功能，有利於電路小型化和穩定性。方案 具有新穎和獨特性。 其次，詳細介紹了利用模擬與實際調試相結合的方法，完成了推挽逆變電路及升壓 脈衝變壓器的工程設計和調試，著重解決了浪涌及功率開關管保護等問題，注意了變壓 器繞制工藝與漏感的關係。採用ＤＳＰ晶元實現了多種控制和軟、硬體結合，給出了用Ｃ 語言編寫的程序，重點解決了程序的調試與抗干擾問題。採用獨特的數字編碼方法，實 現了位置檢測的結構設計，完成了性能初步調試以及與ＤＳＰ組成閉環系統，消除電機 不斷步進引起的空間位置上的積累誤差，實現了電機步進誤差歸零的技術要求。設計了 電路工程板圖，完成了樣機兩台的加工和調試工作，與超聲波電機進行了匹配調試實驗， 重點解決了阻抗匹配問題，達到了驅動電路的設計指標，實現了設計、加工、匹配調試 三部分工作的基本要求。 最後，根據前一段工作，提出了一些今後工作的意見，特別是工程應用化與集成化 方面的研究想法。 關鍵詞：超聲波電機，驅動電路，ＤＳＰ，脈衝變壓器，位置檢測與歸零 專用超聲波宅機驅動電路研究 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｍｏｔｏｒ（ＵＳＭ），ａｓ ａｎｅｗ ｔｙｐｅ ｍｉｃｒｏ—ｍｏｔｏｒｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｒｏｍｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｏｔｏｒ．Ｉｎｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ＵＳＭ』ｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｏｔｏｒｍａｍ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓａｎｄｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｍａｎｄｓｏｆｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄａｎｄｔｈｅｍａｉｎｔａｓｋｓｏｆ ｓｐｅｃｉａｌｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｏｏ．Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｓｕｃｈａ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｍａｋｉｎｇ ｍａｔｃｈｉｎｇｗｉｔｈＵＳＭａｒｅｔｈｅｍａｉｎｔａｓｋｓｏｆｔｈｅａｕｔｈｏｒ．Ｓｏｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｏｆ ｔｈｅｓｅｗｏｒｋｍｏｔｉｏｎｅｄａｂｏｖｅ Ｆｉｒｓｔ，ａｆｔｅｒｓｔｕｄｉｅｄ ｍａｎｙ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｃｈｅｍｅｓｏｆ ｄｒｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎｔｈｉｓ ｄｏｍａｉｎａｎｄｂａｓｅｄｏｎａｃｔｕａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｓｙｓｔｅｍｓｃｈｅｍｅｆｏｒｔｈｉｓ ｓｐｅｃｉａｌ ｃｉｒｃｕｉｔｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｉｎｔｈｉｓ ｓｃｈｅｍｅ，ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｒａｃｉｎｇ ｕｎｉｔｉｓ ｃａｎｃｅｌｅｄ，ａｐｏｓｉｔｉｏｎｌｏｃａｔｉｎｇ ａｎｄｅｒｒｏｒ ｃｌｅａｒｉｎｇ ｕｎｉｔｉｓ ｉｎｓｔｅａｄ，ＤＳＰｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔｗｈｉｃｈｈａｓ ｍａｎｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓｓｕｃｈａｓ ｆｏｒｍｉｎｇ ｄｒｉｖｉｎｇｓｉｇｎａｌｓ，ｓｅｌｅｃｔｉｎｇｍｏｔｏｒｓａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｍｏｔｏｒｓ ｓｔａｒｔ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｉｇｎａｌｏｆｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｌｏｃａｔｉｎｇ ｄｅｃｏｄｉｎｇｏｔｈｅｒ ｓｐｅｃｉａｌｓｉｇｎａｌｓ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｏｔｌｗａｒｅｗｉｔｈｈａｒｄｗａｒｅ ｂｅｎｅｆｉｔｓｔｈｅｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｓｏ ｄｅｓｉｇｎｈａｓａｎｏｖｅｌａｎｄ ｕｎｉｑｕｅ ｆｅａｔｕｒｅ． Ｓｅｃｏｎｄｌｙａ ｍｅｔｈｏｄｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｗｉ也ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｔｅｓｔｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎ ｄｅｔｍｌ．Ａｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｅｓｔｆｏｒｔｈｅ ｐｕｓｈ－ｐｕｌｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒａｎｄ ｐｕｌｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｉｓ ｄｏｎｅ．Ｓｏｍｅ ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｈｏｗｔｏ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｓｕｒｇｅｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｈｏｗｔｏ ｐｒｏｔｅｃｔ ｐｏｗｅｒＭＯＳＦＥＴｓａｒｅｓｏｌｖｅｄ．ｉｎｔｈｅｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒａｎｄ ｌｅａｋａｇｅ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｉｓ ｎｏｔｉｃｅｄ．Ｍａｎｙ ｃｏｎｔｒｏｌｆｉｍｃｔｉｏｎｓａｎｄｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅａｒｅｆｉｎｉｓｈｅｄ ＤＳＰ．Ａｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｐｒｏｇｒａｍｉｓｏｆｆｅｒｅｄ Ａｄｏｐｔｅｄ ｕｎｉｑｕｅｄｉｇｉｔａｌｅｎｃｏｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ａｃｏｎｓｔｒｕｃｔ ｕｓｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｅｓｔｓｈｏｗｓｔｈａｔ ｄｅｓｉｇｎｃａｎｃｌｅａｒｃｕｍｕｌａｔｅｅｒｒｏｒａｎｄ ｓａｔｉｓｆｙ ｓｐｅｃｉａｌｄｅｍａｎｄｓＡｔｌａｓｔａｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＰＣＢｉｓ ｆｉｎｉｓｈｅｄａｎｄｔｗｏ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓ ａｒｅｆｏｒｍｅｄ．Ｍａｔｃｈｅｄ ＵＳＭ，ｔｈｅｓｅｔｗｏ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓ ａｒｅｖａｌｉｄａｔｅｄ ｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｍａｉｎ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇｆｉｇｕｒｅｓ ａｒｅａｃｈｉｅｖｅｄ． Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅｗｏｒｋｄｏｎｅｉｎｔｈｅｆｉｒｓｔ ｓｔｅｐ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄａｎｄｓｏｍｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅｍｉｎｄｓａｂｏｕｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ｔｏｏ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｍｏｔｏｒｄｒｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ＤＳＰｐｕｌｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ｐｏｓｉｔｉｏｎｌｏｃａｔｉｎｇ ａｎｄｅｒｒｏｒ ｃｌｅａｒｉｎｇ 獨創性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成 果。據我所知，除了文中特別加以標註和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中國工程物理研究院或其他教育機構的學位或證 書使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確 的說明並表示謝意。 學位論文作者簽名：奠芝軋善 簽字日期：ｎｒ年３月３１日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解並接受中國工程物理研究院研究生部有關保存、使用學位 論文的規定，允許論文被查閱、借閱和送交國家有關部門或機構，同時授權中國工程物 理研究院研究生部可以將學位論文全部或部分內容編入有關資料庫進行檢索，可以影 印、縮印或掃描等複製手段保存、彙編學位論文。 學位論文作者簽名：夫壘先褥 簽字日期：一。蛑３月３＼日 導師簽名：畏奇佔Ｆ 簽字日期：年；月；ｆ日 專用超聲波電機驅動電路研究 第一章引言 超聲波電機（ＵｌｔｒａｓｏｍｃＭｏｔｏｒ，簡稱ＵＳＭ）是二十世紀８０年代中期迅速發展起來的 新型電機，它利用壓電材料的逆壓電效應把電能轉化電機定子的機械振動能，又通過定、 轉子間的摩擦作用驅動轉子運動。這種超聲波電機具有突出的特點，因而受到廣泛關注， 在微機械系統（ＭＥＭＳ）、納米技術、軍工、機械人、生物學、醫療器械、航空航天、 辦公自動化等領域展現出巨大的應用潛力和優勢。 １．１超聲波電機的基本組成和一般工作原理 超聲波電機種類很多，諸如：駐波型、行波型、縱扭型、複合型……，其結構千差 萬別，但它的基本組成如圖１．１。 電能Ｊ 壓電搖子彈性誶＜定子） 幾機械能輸出 摩擦材料轉子圖１．１超聲波電機的結構圖 從圖１．１可見，超聲波電機基本有兩部分組成：一部分為高頻驅動電路；另一部分為 電機本體（由定、轉子組成）。顯然，超聲波電機是一種典型的機電一體化產品。 超聲波電機的工作原理是：高頻驅動電路將外部輸入的低壓直流電源逆變成電機需 要的高頻驅動電壓信號（ｆ＞２０ＫＩ－Ｉｚ），此電壓加到壓電陶瓷體上（陶瓷體作過極化處理） 使定子（壓電陶瓷粘在其上的彈性粱）產生彎曲波振動，在定子表面質點形成橢圓運動， 導致定子表面質量點與接觸轉子表面產生相對運動，又因轉子表面為摩擦材料，則定、 轉子間存在滑動摩擦，其摩擦驅動力為Ｆ： 『＝Ｆｆ￡ｃ（ｒ咋）ｄｘ 專用超聲波電機驅動電路研究其中：Ｆ為接觸點的正壓力（一般由預壓力產生）： Ｐ為與轉子相接觸的定子表面質點的切向速度； Ｖ一為轉子轉速； 三為定轉子接觸區域。 由於，的存在，使轉子產生運動（直線或轉動）。 超聲波電機的定子由壓電陶瓷和彈性體粘合而成，在高頻電壓驅動信號的作用下， 壓電陶瓷片通過逆壓電效應產生超聲波頻率振動，實現電能到機械振動能的轉換；超聲 波電機的轉子是由轉子基體與粘按在其上的摩擦材料組成，並通過彈簧與定子壓緊，借 助摩擦使定子彈性體的交變振動變成單一方向的轉子的直線或旋轉運動，實現機械振動 能到轉子動能的轉換。鑒於高頻振動是由壓電晶體產生的，故超聲波電機又稱壓電馬達。 超聲波電機的高頻驅動電路則要保證超聲波電機工作在本身諧振頻率附近所需的 電壓驅動信號的頻率、相位和幅值要求，實現最大的電．機轉換效率，並且要考慮由於 各種原因使諧振頻率發生變化、輸出力矩改變以及影響工作性能的補償和控制技術。另 外，如果為確保電機轉動到幾何位置」０（０是步進角，ｎ＝ｏ，１，２…）的地方，電機轉動 的角度被檢測且誤差在要求的範圍內，那麼還需對超聲波電機有位置定位和歸零的控制 技術。 １．２行波型ＵＳＭ的結構和工作原理 本設計要驅動的專用超聲波電機是一種行波型馬達，圖１．２給出了行波型ｕｓＭ的一般 結構圖和極化圖。 （ａ）結構圖 （ｂ）壓電片極化圖 圖１．２行波型ＵＳＭ結構圖和極化圖 從圖１．２ａＮ見，行波馬達的本體是由定子和轉子構成，且定子上粘有壓電陶瓷，從 圖１．２ｂＮ以看出，ＵＳＭ的壓電陶瓷被分成空間成９０。的兩個部分（Ａ相、Ｂ相）。這兩部分 專用超聲波電機驅動電路研究 壓電陶瓷上分別加上相位差９０。的兩相交流電壓（頻率ｆ＞２０Ｋｔｌｚ）進行激勵。由此在定子 的中性面上，由逆壓電效應所激發的兩個駐波的合成行波： 阡－（ｒ，口，￡）＝ＡＲ（ｒ）ｃｏｓｍＯｃｏｓｃｏｔ 阡名（，，目，ｆ）＝ＡＲ（ｒ）ｓｍｍＯｓｉｎ Ｃｏｔ ％（中性面）＝％＋％＝ＡＲ（ｒ）ｃｏｓ（ｍＯ一刪） （１－２） 其中ｍ為超聲波馬達振動模態階次（與極化分布有關），Ａ２（ｒ）為振動幅度。在定子表面 （距中性面距離為ｈ）則有： 暖；％＝ＡＲ（ｒ）ｃｏｓ（ｔｏＯ一ｒ） 根據扳殼理論，在定子表面；，否方向有： ｗｅ—ｚ嵩ｋ一＝；舢ｓｉｎ（ｍ０刪 彬＝一＾竽＝一ＭＲ』ｐ）ｃｏｓ（ｍＯ一耐） （１－３）又因： ｎ４』所以，定子表面質點作橢圓運動，見（１－４）式，而定子表面Ｐ點的速度為：墮。 ｃｌｔ 當ｗ—ｚｍａｘ，且定轉子不存在滑動時，有： 肇：一旦。ｗＡＲｐ）一ｅｅ （１－５） ｄｔ 由（１．６）可見轉子產生了運動，所以行波馬達的工作原理是由驅動電路形成相差９０。的電壓信號加在壓電陶瓷上，利用逆壓電效應形成定子彎曲波振動，且在定子表面 形成橢圓運動，從而使轉子產生運動。而驅動電路的設計必須與行波型馬達要求相匹配。 １．３超聲波電機的主要特點 １．３．１能量密度大，容易實現小型化 同靜電電機（ＭＥＭＳ）和電磁電機相比，超聲波電機的功率密度比靜電電機高出幾 個數量級，是電磁電機的５～１０倍，表１．１給出了這幾種電機的功率密度比較，從表中可 專用超聲波電機驅動電路研究 以看出超聲波電機具有較高的功率密度。超聲波電機的這～特點，在執行器小型化的技 術領域中具有明顯的優勢，因而成為目前國內外重點探索的一個技術領域。 表１．１超聲波電機、靜電微電機和微電磁電機功率密度計算比較 功率密度公式 能量 電磁密度計算 ＭＥＭＳ靜電電機 ｈＥ２如４０Ｊ／ｍ （Ｅ＝３Ｖ／ｕｍ）電磁式電機 （Ｂ＝１Ｔ）１６１０５ｔ，／ｍ３ 壓電超聲波電機 妻Ｑ。Ｋ３３ｅ３３ｅｏＥ （Ｅ＝１Ｖ／ｕｍ）說明：Ｅ０為真空介電常數；盧為磁導率；民、Ｋ：，、９３３分別為壓電電機的品質因 數、機電耦合係數和壓電晶體的介電常數。 １．３．２斷電自鎖和不受電磁干擾 超聲波電機是靠定、轉子之間的摩擦力作用運動的，而且定、轉子之間有很大的預 壓力作用。因而當電機斷電時，由於預壓力引起的摩擦力的作用，電機仍能保持斷電時 的轉動位置不變，即超聲波電機具有停電自鎖功能。這為步進控制提供了有利條件。 從超聲波電機的運行機理上看，超聲波電機的運轉未使用磁場，因而不會受到外界 電磁干擾的影響，同時也不會產生電磁場干擾影響其周圍的電子器件。 １．３．３低速大力矩 表１．２給出了超聲波電機與電磁電機的性能比較，圖ｌ３給出了超聲波電機輸出轉矩 與轉速和效率關係的機械特性曲線，從中可以看出，超聲波電機低速下轉矩大而且效率 高。正是由於超聲波電機低速下能夠輸出較大的轉矩的緣故，所以超聲波電機無需利用 減速機構增大轉矩就可以實現對負載的直接驅動。由於電機和負載之間沒有中間的增減 速機構，所以也就不會有中間誤差產生。 專用超聲波電機驅動電路研究表１．２超聲馬達與電磁馬達性能比較表 停止力矩 空載轉速 扭矩密度 最大效率 類型 結構 製造商 ｃｍ）（ｒ／ｒａｉｎ） （Ｎ－ｍ／ｋ酌 ＥＭＤＣ無刷 Ａｅｒｏｆｌｅｘ ０．３３ １３．５００ ０２９ ７１ ＥＭ ＤＣ帶劇 ＭｉｃｒｏＭｏ ０．９９ ４，０００ ００４ ２０ ＥＭ ＤＣ帶刷 Ｍａｘｏｎ ２７５，２００ １．１３ ７０ ＥＭ ＤＣ帶刷 Ｍａｂｕｃｈｉ １．６０ １４，５００ ０．４２ ５３ ＵＳＭ 駐波縱扭 Ｋｕｍａｄａ １３３ １２０ ８．８ ８０ ＵＳＭ 行波盤型 Ｓｈｍｓｅｉ ６０ １００ ２．６ ２７ ＵＳＭ 行波盤型 Ｍｒｒ １７０ ４０ １５行波環型 ＵＳＭ ＭＩＴ ０．０５４ １７５０ ２．１ ８ＭＭ 圖１．３超聲波電機的機械特性曲線１．４超聲波電機的國內外發展狀況 １．４．１超聲波電機國內外發展 人們在５０年代就認識了超聲波電機的基本原理，但是限於當時材料、加工技術的條件，實用化的超聲波電機沒能發展起來。直到８０年代，隨著材料科學、電子技術以及加 工技術的發展，超聲波電機從理論到應用都有了長足的發展。並在航空航天、機器人、 精密儀器儀錶、醫療器械、汽車和照相器材等領域展示了廣闊的應用前景。 最早出現的超聲波電機是在１９６１年，當時ＢｕｌｏｖａＷａｔｃｈＬｔｄ公司首次利用彈性體振動 驅動鐘錶齒輪，工作頻率是３６０Ｈｚ，鐘錶走時準確，在當時引起了人們極大關注。大約 １０年後，人們利用壓電效應製造出了直線驅動裝置和步進電機，並於１９７０－１９７２年，由 專用超聲波電機驅動電路研究 Ｓｉｅｍｅｎｓ公司矛ｌｌＭａｔｓｕｓｈｉｔａ公司研製出具有實際應用前景的壓電超聲波電機，但限於當時 的技術，它們研製的電機振子振幅太小，得不到大的扭矩，因此沒得到推廣應用。 １９７８年，前蘇聯的Ｖａｓｉｌｉｅｖ成功地構造了一種能夠驅動較大負載能力的超聲波電機， 這種電機使用由兩個金屬塊之間的壓電元件所組成的超聲換能器，將該換能器激振與轉 子觸的振動片的縱向振動，通過振子與轉子之間的摩擦來驅動轉子運動。 日本的Ｔ．Ｓａｓｈｉｄａ在Ｖａｓｉｌｉｅｖ的研究基礎上，在１９８０年提出並成功地設計出了駐波型的 壓電超聲波電機。該電機使用Ｌａｎｇｅｖｉｎ振子，驅動頻率為２７．８ＫＨｚ，輸出功率為５０Ｗ， 輸出轉矩為０．２５Ｎ．ｍ。可以說Ｓａｓｈｉｄａ研製的這台電機在性能上是第一次能夠滿足實際使 用的要求，但由於振動片於轉子的接觸是固定在一個位置上，存在接觸面上摩擦磨損嚴 重的問題。為了解決這個問題，Ｓａｓｉｄａ又在１９８２年研製了一台行波型超聲波電機，實現 了由駐波定點、定期推動轉子變成由行波不斷連續推動轉子，大大地降低了定子與轉子 間的摩擦與磨損。這種電機運動的機理就是定子表面質點形成的橢圓運動。 在Ｓａｓｉｄａ研製成功首台行波電機之後，日本掀起了研究壓電電機的熱潮，於１９８７年 推出了投放到商業應用的行波型超聲波電機。此後許多種類的壓電電機產品逐步出現並 被推向市場，其中最具代表行的是松下公司和新生公司（Ｓｈｉｎｅｓ）生產的系列產品，圖 １．４是新生公司的推出的～款ｑｂ６０行波型超聲波電機，圖１５是日本佳能公司（Ｃａｎｏｎ）應 用到其照相機調焦裝置上的環形超聲波電機結構圖。表１．３、表１４分別是新生公司和佳 能公司的系列產品的性能參數。 圖１．４新生公司ＵＳＲ－６０超聲波電機 專用超聲波電機驅動電路研究 圖１．５佳能公司用於相機調焦的環形超聲波電機 表１３新生工業公司超聲波電機 驅動頻率 驅動電壓 額定轉矩 額定轉速 機械響應時間 質量 型號 （ｋＩ｛ｚ） （ｒ／ｒａｉｎ）（ｍｓ） Ｌｇ） ＵＳＲ．６０ ４０ １００ ３８０ ｉ００ １７５ＵＳＲ４５ ４３ １００ １５０ １５０ ６９ＵＳＲ．３０ ４２ １００ ４０ ２５０ ３３表１．４佳能相機調焦用超聲電機 外徑、內徑、 質量 驅動頻率 輸入功率 無載轉速 起動矩 效率 型號 高（１１１ｌｎ） （ｒ／ｒａｉｎ）（ｎａｎ ７２８Ｌ７７，６７，１０ ４５ ２９ ４０１６０ ３５ ８．４０Ｌ７３，６３，１０ ４５３１ ４０１４０ ３５ ０Ｌ７７，６７，１１．２ ４０ ２９ ４０１６０ ３５ 進入９０年代後，隨著科學技術的發展以及許多產品智能化、攜帶型和小微化的要求， 微型電機的發展受到廣泛的重視，其應用範圍也越來越廣。壓電電機以其結構簡單、易 於小型化等優點尤其備受世界上不少國家的關注，加緊對超聲波電機的研究，而且呈現 多元化趨勢發展。目前已有直徑僅為ｌｍｍ的微型超聲波電機。日本處於超聲波電機技術 的世界領先地位，它擁有大部分的壓電超聲波電機的專利。最近幾年，美國和西歐各國 也正掀起壓電超聲波電機研究的熱潮。尤其是美國，已有一批從事這方面研究的大學和 研究所，如麻省理工學院和賓西法尼亞州立大學等。 從超聲波電機以上幾個主要特點可以看出，超聲波電機在小型化以及ＭＥＭＳ技術相 結合組成多元系統上前景非常看好，雖然目前超聲波電機還存在著諸如壽命短、理論分 析不充分、自律阻抗匹配以及測試模擬建模等技術和工程問題，但超聲波電機優點突出， 專用超聲波電機驅動電路研究 故發展十分迅速，愈來愈受到國內外的重視，目前國外已有部分產品得到開發和利用。 圖１．６是超聲波電機用在美國宇航局火星探測車上的例子，其中超聲波電機放在機器人的 關節部位。 我國是在上世紀８０年代中後期開始研究超聲波電機的，現有～大批高校和科研院所 從事壓電超聲波研究，如清華大學、浙江大學、南京航空航天大學、哈爾濱工業大學等， 而且取得了一定的研究成果，有不少試驗樣機研製成功，圖ｌ７、圖１．８分別是清華大學 研製出的中ｌ超聲波電機和ｏ３０行波超聲波電機電機。 圖１．６超聲波電機用於火星探測車 圖１．７清華大學研製的直徑１ｍｍ壓電馬達 圖１．８清華大學研製的直徑３０壓電馬達 １．４．２目前超聲波電機研究主要存在的困難 超聲波電機是功能陶瓷、超聲振動與傳播、摩擦驅動、精密加工、電力電子、彈性 力學、自動控制技術等多學科交叉的邊緣學科，對超聲波電機機理的研究涉及到眾多的 理論知識，儘管目前已有各種各樣的超聲波電機研製成功，但有關超聲波電機機理的探 討仍處於許多困難之中，還沒有形成一套有關電機設計和分析的標準。目前，超聲波電 機研究所遇到的困難主要有以下幾個方面： 專用超聲波電機驅動電路研究 ａ．超聲波電機的性能評估和測試較難，這主要包括電機的機械特性測試、電機的 瞬態特性測試和電機的壽命測試等。 ｂ．超聲波電機定轉子接觸面的微摩擦和微支撐的研究還沒有成熟的理論。 Ｃ．超聲波電機的重複精度和解析度不高的問題有待進～步解決。 ｄ．由於超聲波電機是～容性負載，因此其阻抗匹配問題的解決好壞直接影響到電 機的性能發揮。 ｅ．超聲波電機的模型測試也是一個難題。 ｆ．超聲波電機的環境適應性的工程化問題需要進一步研究。 可以看出，超聲波電機的研究還需很長的路要走。 １．４．３超聲波電機驅動控制技術原理 由於超聲波電機的機理與傳統電磁類電機有著本質的不同，所以針對其驅動控制電 路設計也提出了與傳統電磁類電機有所不同的特殊要求。超聲波電機驅動電路的設計合 理與否直接關係到超聲波電機性能發揮的好壞。 超聲波電機的驅動電路是建立在大功率半導體器件、開關逆變電路、高頻脈衝變壓 器等技術基礎上進行設計的．採用隔離型的半橋、全橋或推挽式的逆變電路。超聲波電 機的控制主要基於超聲波電機不同於傳統電機的強烈非線性特點，並針對不同的用途而 採用相應的控制技術，比如可阱選擇ＰＤ控制、參數辨識、神經元網路控制等，目的都 在於解決超聲波電機應用中遇到的諸如頻率漂移、溫度漂移、穩定速度以及電機輸出力 矩的保持等問題。圖１．９是超聲波電機驅動控制一般採用的電路原理框圖。 圖１．９超聲波電機驅動電路框圖 專用超聲波電機驅動電路研究 １．４．４超聲波電機驅動控制技術的發展 在超聲波電機發展的二十餘年裡，人們一方面完善對超聲波電機的機理的研究，另 一方面也在不斷地對超聲波電機的驅動電路的探索研究，特別是在超聲波電機研究領域 處於領先地位的日本，在超聲馬達定位及速度跟蹤控制方面作了大量的研究。１９８６年日 本學ＴＨａｔｓｕｚａｗａ系統地研究了環形行波型超聲馬達的速度控制特性，得到了超聲馬達速 度與驅動電壓、驅動頻率、相位差及正反轉切換頻率之間的關係，見圖１．１０，圖ｌ１ｌ和 圖１．１２。１９８９年，日本的Ｋ．Ｔａｋａｈａｓｈｉ設計了具有溫度補償特性的電路。１９９０年Ｙ．Ｊｉｓｌｚｕｎｏ 等人實現了超聲馬達的負載自適應跟蹤控制的兩相諧振逆變器，次年實現了基於模糊推 理的高性能速度、位置控制方法。１９９４年分別進行了使用軟體變增益ＰＩ改進模糊控制器 的超聲馬達驅動伺服系統的定位控制的研究。１９９１年，Ａ．Ｋａｔｏ等人實現了環形行波型超 聲馬達的柔順控制，並於兩年後實現了超聲馬達直接驅動機械臂的柔順控制同年日本的 Ｓ．Ｍｏｒｉｍｏｔｏ等人第一次把鎖相穩速原理用於超聲馬達的控制。１９９４年ｒ．ｓｅｎｊｙｕ等人實現 了自適應控制下的超聲馬達自適應速度控制，１９９５年實現了頻率及相位差的混合控制的 超聲馬達精密定位控制。 近幾年還出現了神經網路控制，或者採用神經網路自學習來調節模糊參數進行控制 的方案以及採用參數辨識的方法等等。這些方案由於整個控制機構很龐大，帶有～系列 的採集處理輸出環節，所以離實用還有一定的距離。 圖１．１０頻率與速度的關係１．４．５位置控制技術 圖１．１１相位差與速度的關係 圖１．１２電壓幅值比與速度的關係 在超聲波電機位置定位控制方面，主要採用了以下幾種方法：（１）軟體定位的方法。 此方法採用單片機或ＤＳＰ晶元編程的方法實現對超聲波電機的定位，簡單易行，但是沒 有充分考慮到超聲波電機的強烈非線性，所以控制精度不是很高。（２）機械分散式觸點 接觸式定位方法。此方法對超聲波電機的步進積累誤差消除有一定的改善，但是可靠性 不高。（３）光電編碼器或霍爾感測器定位的方法。較之機械觸點接觸式定位，該法在可 專用超聲波電機驅動電路研究 靠性、精度方面都有所提高。綜合（２）、（３），如果只單純地依賴中斷反饋進行位置定 位，而不考慮超聲波電機由於溫度飄移等外部因素引起的超聲波電機的非線性影響，也 不會收到良好的控制效果。（４）自校正方法。這種方法的實現是通過電機本身自校正設 計來完成的。由波與振動理論可知，振動的小顆粒停下來的平衡位置是波的波腹，利用 這個原理對定轉子進行特殊的加工設計，可使得定轉子會同時停在波腹的平衡位置，由 此對轉子進行定位的。這種方法只是見到有關報到，而且電機設計理論複雜，離實用階 段尚有很遠距離。 綜上，目前國內的研究多數是基於對國外技術的跟蹤，做出的電機和控制電路多是試 驗樣品，在做成產品投入到實際應用中去的不多。所以尋求走出實驗室到實際應用中去 的超聲波電機和驅動控制電路是大家共同努力的方向。 雖然人類對超聲波電機技術還處於多方探索階段，鑒於超聲波電機特有的優點和廣 闊的應用前景，世界各國都在致力於對超聲波電機技術的研究，特別是加強對高可靠性 精密控制的驅動電路的研製，使超聲波電機在軍事、航天、精儀等方面得以廣泛應用。 １．４．６驅動電路的設計提出的要求與思路 綜合以上文獻並根據超聲波電機的特點，對超聲波電機驅動電路的系統設計時，針 對超聲波電機本身的特性，其驅動電路的設計要滿足如下要求： ａ．兩相高頻交流輸出，時間具有一定相移，電壓等於超聲波電機的額定電壓，頻 率略高於超聲波電機的機械諧振頻率，且連續可調； ｂ．為滿足超聲波電機有很好的位置定位功能，要採用帶有位置反饋的閉環控制； ｄ．為提高電機和驅動器系統的效率，驅動器的阻抗最好和超聲波的輸入阻抗匹配； ｅ．為減少無功交換的功率，提高功率因數，驅動器最好具有無功補償措施。 超聲波電機是一種正在受世界各國關注、研究的新型微特電機，與傳統的微特電機 相比有很多優點，特別是其低速大力矩的特性越來越多地受Ｎ４型化控制系統的青睞。 但是，由於超聲波電機是新發展起來的一門學科，所以有很多理論不盡完善，有許多東 西尚處在探索階段。因此，我們對有關對超聲波電機的研究（包括驅動控制技術的研究）， 一方面要加強理論的學習，不斷地關注國內外這一領域的進展，積極同國內外有關研究 院所進行交流、協作；另一方面加快有自主技術的研究和開發。 １．５選題背景及研究內容 １．５．１選題背景及要求 本文開展的專用驅動電路研究是基於「小型專用行波超聲波馬達研究」的研製任務 而進行的。由於超聲波馬達具有機電一體化的特點，存在著機電耦合關係，因而在研究 專用超聲波電機驅動電路研究 驅動控制電路時，必須了解和針對電機的要求和振型等技術狀態設計，才能保證設計正 確、實用。 在本研究中，電機與驅動電路是同時展開的，因而作為電路設計的條件，電機應給 出相應的前提參數。專用行波型超聲波電機主要參數如下： 電機特性：容性負載，供電電源為１２Ｖ直流電源。專用驅動電路的主要設計要求： 產生兩路相差９０。、峰峰值ｉ００Ｖ以上、頻率ｆ＞２０ＫＨｚ（約為４０～５０ＫＨｚ）可調的驅 動信號； 控制器能夠產生方波信號、鎖相、移相等，同時能夠控制電機啟停、電機分時工作、位置檢測與歸零單元的信號處理和外控信息處理等。 具有位置檢測與歸零單元，要求無接觸式且要能確保從起始為０。的電機轉」療 （０＝４５。，ｎ＝０，ｌ，２…ｎ）的每個位置被檢測，且使每個位置處的誤差ＩＡＯＩｌ。，電機周 轉一周的誤差仍為ｌＡ０ｆｌ。，即無積累誤差。 生產兩台樣機，並與現有的行波電機進行工作配調，解決匹配問題。 １．５．２主要研究內容 專用驅動電路的系統方案設計 逆變電路及變壓器的設計 控制電路的設計匹配技術研究 位置檢測與歸零技術 樣機電路及調試 專用超聲波電機驅動電路研究 第二章專用行波超聲波電機驅動電路系統方案 ２．１系統組成與特點 ２．１．１系統組成 在１．４節中已簡單介紹了超聲波電機驅動電路的基本構成（見圖１．９），通過對國內外 驅動技術資料的調研分析，結合我們的實際情況和要求，設計出如圖２ｌ的專用驅動電路 方框圖（原理圖）。 本課題針對某專用超聲波電機組設計的驅動控制電路有三部分組成，即：驅動、控 制和位置檢測及歸零。其中控制部分採用ＴＩ控制功能最強、速度快的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ ＤＳＰ晶元作為驅動電路的核心控制晶元，由其負責驅電機驅動信號的產生和電機的分時 運行控制。功率驅動和升壓部分採用推挽式逆變電路，同時還採用了非接觸式脈衝輸出 的位置歸零控制的技術。 ２．１．２系統特點說明 圖２．１專用驅動電路原理圖 去掉頻率跟蹤單元（見圖１．９），增加特殊的置檢測與歸零單元（見圖２．１）。 沒採用頻率跟蹤有兩個原因，一是行波馬達的振動模態主頻帶（廠ｎ）較寬且其它振 型模態的次諧頻和主頻相距較遠，見圖２．２。 二是為了實現電路儘可能的小型化，因而在不影響工作的條件下去掉頻率跟蹤。但 位置檢測與歸零是本電機所必須具有的特殊要求。 專用超聲波電機驅動電路研究 採用ＤＳＰ實現驅動與控制功能採用ＤＳＰ實現驅動信號的產生、分頻和移相功能，同時又利用ＤＳＰ實現電機的選擇、 電機啟停、位置檢測與歸零處理和外控特殊信號的解釋和解碼等任務，達到了整合信號、 提高精度及穩定性，有利於電路小型化。 ２．２系統各單元設計概述 ２．２。１系統逆變電路 超聲波電機是電壓驅動型電機，電機的輸出力矩與驅動電壓成比例，目前中小型超 聲波電機的驅動電壓一般設計為是交流１００Ｖ（峰峰值）以上（超聲波電機的驅動電壓主 要由壓電振子的極化電壓決定，壓電振子的驅動電壓一般不超過其極化電壓的１／４），而 傳統的電磁電機是電流型驅動方式。因此，超聲波電機的驅動首先要解決由供電的低直 流電壓逆變升壓成交流高電壓信號，本設計驅動頻率初設為４０ＫＨｚ，驅動交流電壓信號 峰峰值為１００Ｖ，且驅動頻率可調。完成這一功能的電路是逆變升壓電路，通常由功率驅 動和升壓變壓器組成。 在設計中有一點需要說明，超聲波電機不需要產生正弦波（或餘弦波）信號來直接 驅動，只要產生大小相等、相位相差９０。的方波信號驅動即可，因為在電源功率不大的 情況下，方波加在電機上由於電機容性負載必然把高次諧波濾掉，只剩下基頻正弦波。 這樣給驅動電路設計帶來了便利。 ２．２．２控制技術 利用高性能單片機或ＤＳＰ實現硬體的軟體化設計，完成傳統超聲波電機驅動控制電 路的壓控振蕩、相位鎖定、調節頻率等功能，特別是為系統提供「編碼」、分時控制電機 組等提供方便。本設計ＤＳＰ採用德州儀器公司（ＴＩ）的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ並用Ｃ語言編寫 程序。 專用超聲波電機驅動電路研究 ２．２．３位置檢測與歸零技術 超聲波電機具有非線性特性，轉速不一定恆定，在相同加電時間下可能步進的角度 ０有差別，即使這個差別ＡＯ很小，但是電機運轉ｎ步，便會產生ｎＡＯ的積累誤差存在， 這與本專用小型超聲波電機的工作要求是相違背的，所以在系統中必須有位置檢測與歸 零單元，以適應專用小型超聲波電機的特殊要求。本設計為了消除位置檢測對電機輸出 力矩的影響，擬採用非接觸式的位置檢測感測器，同時為了保證檢測精度，應採用編碼 方法（即數字方法）來實現。 ２．２．４容性負載的匹配 超聲波電機是個容性負載，這一點與傳統的電磁電機呈感性的特性是大為不同的， 所以在驅動電路的設計中要考慮阻抗匹配的問題。無阻抗匹配或匹配不當，不僅影響超 聲波電機的輸出功率，而且嚴重影響其驅動電源的效率。 匹配分靜態匹配和動態匹配之分，二者之間有較大的差異。靜態匹配是指對壓電振 子靜態電容的匹配，使諧振頻率工作點的電流和電壓同相，減少電路中的無功損耗，充 分利用電源容量，提高輸出效率，超聲波電機的匹配一般是指的這種方式的匹配。 但是超聲波電機隨著負載、電機溫度等因素變化的影響，會引起超聲波電機等效電 路（見匹配技術章節）的動態支路參數發生相應的變化。因此，經靜態匹配後的電路對 外也會呈現容性狀態。如何解決超聲波電機的動態匹配問題是一個難點，目前尚未見到 有關報道，尚需探索解決。 專用超聲波電機驅動電路研究 第三章超聲波電機逆變與升壓變壓器設計 超聲波電機的逆變與升壓電路主要完成的功能是：把來自波形發生器的具有～定相 位差的驅動信號轉變成能夠驅動電機正常工作的數十伏到數百伏的交流驅動信號。它是 由逆變和升壓兩部分電路組成。 課題設計的逆變與升壓電路的最後輸出應滿足：Ｕ。＝Ｕ。咖耐和Ｕ：＝Ｕ。ＣＯＳ０）ｔ，其中 ，＝曇在４０～５０ＫＨｚ，ｕ，為１００～１５０Ｖ（峰峰值），後面接容性負載，估計要電源供電 電流約為０．３～Ｏ．４Ａ。 ３．１推挽逆變器的結構分析 逆變器的種類很多，諸如：半橋式、全橋式、推挽式等變換形式，與半橋式、全橋 式逆變器相比，推挽式逆變器所用器件數目較少，電路驅動相對簡單，因此在本課題設 計中採用推挽式逆變電路，其結構圖如圖３１，工作原理波形如圖３．２。 ０２ 圖３．１推挽式逆變電路工作原理圖推挽式逆變電路工作原理是：由波形發生器輸出ｖ１、ｖ２驅動控制信號，通過推挽 逆變電路，使得變壓器Ｔ１的初級的上下兩部分交替通斷，把％，（１０Ｖ直流電源）逆變 成如圖３．２所示的交流電壓信號Ｕ，，其中Ｕ，＝Ｕ。ｓｉｎ耐：同理在～對波形互為相反且分 別與ｖ１和ｖ２相位相差９０。的兩路方波驅動控制信號ｖ３、ｖ４控制下，將在變壓器Ｔ２的 副邊產生電壓信號Ｕ，，且ｕ，＝Ｕ。ＣＯＳＣＯｔ。兩相交變電壓信號Ｕ，和分別是加在電機 定子兩組壓電陶瓷振子上，則在電機定子上分別產生駐波振動，而在定子表面形成行波 專用超聲波電機驅動電路研究 和橢圓運動（見１．２節），通過摩擦力作用使得轉子產生相對定子的運動。這裡具有相差 的驅動信號ｖ１、ｖ２、ｖ３和ｖ４是方波信號，即由ＤＳＰ產生的ＰＷＭ信號，其傳遞方框圖 如圖３．３。 圖３．２推挽式逆變器原理電路電流、電壓波形圖３３超聲波電機驅動信號傳遞框圖 推挽式逆變電路的主要優點是導通路徑上串聯的開關管在任何瞬間只有一個工作， 兩個開關管的驅動電路具有公共的地，其驅動電路簡單。難以防止高頻變壓器的直流飽 和。同時也要注意在逆變過程中，兩個開關不能同時接通，任何一個開關閉合的時間也 不能太長以避免出現電源「直流短路」現象。 ３．２開關管選用 由於超聲波電機驅動信號頻率比較高，因此選用的開關管應具有快速導通和關斷特 性，同時應具有較低的開關損耗。可以選用功率ＭＯＳＦＥＴ或晶體管作為開關管使用。 作開關管使用，ＭＯＳＦＥＴ比晶體管具有優越的性能。首先，功率ＭＯＳＦＥＴ是多數載流 子器件，不存在存儲效應，沒有存儲時間。其次，功率ＭＯＳＦＥＴ的柵極和源極之間有 氧化物層隔離，呈現出高的輸入阻抗，通常直流輸入電阻大於４０ＭＯ。同時，ＭＯＳＦＥＴ 是電壓驅動控制器件，而雙極型晶體管是電流驅動控制器。因此，在本設計中選用取 公司生產的１２：ＬＦ３２０ＭＯＳＦＥＴ。 專用超聲波電機驅動電路研究 本課題驅動的專用超聲波電機所需的開關管應滿足以下條件： 開關頻率：＞６０ＫＨｚ以上（因為工作頻率在４０～５０ＫＨｚ且考慮一定的裕量）； 開關管的耐壓：ＢＶＤＳ＞３Ｖｃｃ，即大於３０Ｖ（Ｖｃｃ＝１０ｖ）。由推挽式逆變電路（圖３．１）知：開關管的導通時管上壓降為２Ｖｃｃ，考慮到由於變壓器原邊漏感在開關管開啟 或關斷造成的尖峰浪涌的影響，故開關管的耐壓值應選擇為３Ｖｃｃ。 開關管在脈衝工作方式下的額定電流：』＝（２～３）．羔一，。＞１．５Ａ～２．２Ａ，其中Ｉ。。 為電機工作電流的最大有效值，取為０．１Ａ；Ｕ．＝１５０Ｖ；Ｖｃｃ１２Ｖ。 課題選用的ＭＯＳＦＥＴ是皿公司的ＩＲＦＲ３２０能滿足以上要求，ＩＲＦＲ３２０部分性能參 數見表３．１。ＩＲＦＲ３２０是ＳＯＴ－２３封裝，ＭＯＳＦＥＴ驅動器選用的是ＭＡＸＩＭ公司的 ＭＡＸ４４２７，８ＳＯ封裝，體積很小，而且無需外接任何器件，使用簡單，性能可靠。ＭＡＸ４４２７ 部分性能參數見表３．２。 表３．１ＩＲＦＲ３２０的參數表 Ｐａｒａｍａｔｅｒ ＳＹＭ〔ＢＯＬ ＵＮＩＴＳＧａｔｅｔｏＳｏｕｒｃｅ Ｖｏｌｔａｇｅ ＶＧＳ ＋２０ ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＤｒａｍｃｕｒｒｅｎｔ１３０ ２．１ ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＤｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ ＰＤ ５０ ＴｕｒｎＯｎ Ｄｅｌａｙ Ｔｉｍｅ ｔｄ（ＯＮ） １０～１５ Ｔｕｒｎ－ＯｆｆＤｅｌａｙ Ｔｉｍｅ ｔｄ（ｏＦＦ） ３０～４５ ｎＳ ＲｉｓｅＴｉｍｅ １４～２ｌＦａｌｌＴｉｍｅ ｔｆ １３～２０ 表３．２ＭＡＸ４４２７的參數表 Ｐａｒａｍａｔｅｒ ＳＹＭ【ＢＯＬ ＶＡＵＬＥ ＵＮＩＴＳ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ ＶＤＤ ｑ５－－＋１８ ＩｎｐｕｔＶｏｔａｇｅＶｍ ＜０８ ＩｎｐｕｔＣｕｒｒｅｎｔ（ｖＩＮ＝０－一ｌＳＶ）ＩＩＮ ＯｕｔｐｕｔＨｉｇｈＶｏｔａｇｅ（Ｎｏｌｏａｄ）Ｖｏｎ ＶＤＤ一２５ ｍＶ Ｏｕｔｐｕｔ Ｌｏｗ Ｖｏｔａｇｅ（Ｎｏｌｏａｄ） ＶＯＬ ＜２５ ｍＶ Ｐｅａｋ ＯｕｔｐｕｔＣｕｒｒｅｎｔ（ＶＤＤ＝１８Ｖ） ＩＰＫ １．５ ３．３緩衝電路設計緩衝電路也稱作吸收電路，它在功率ＭＯＳＦＥＴ的應用技術中起著重要的作用。由於 逆變電路中開關頻率比較高（超聲波電機驅動頻率要求２０ＫＨｚ以上），所以開通與關斷 損耗是影響開關器件正常運行的重要因素。 電流的變化，使二者不能同時達到最大值， 可以通過改變ＭＯＳＦＥＴ開關過程中電壓、 從而起到減小開關損耗的目的。另外，由於 ＭＯｓＦＥＴ存在的寄生電容、電感作用，也會造成啟動時ｄｉ／ｄｔ，關斷時ｄｖ／ｄｔ很大的現象， 即電壓、電流浪湧現象，緩衝電路對其也有一定的抑制作用。 緩衝電路有多種形式：開通緩衝電路、關斷緩衝電路、複合緩衝電路等，各自電路 形式如圖２．４所示。 （ｂ）關斷緩衝電路圖３．４基本緩衝電路 （ｃ）複合式緩衝電路對於開通緩衝電路而言，ＭＯＳＦＥＴ開通後，由於電感上的電流不能突變，因此限制 了開通電流的上升率ｄｉ／ｄｔ，避免電流浪涌。在關斷迴路中由於電容的作用，限制了電壓 變化率ｄｖ／ｄｔ，ＭＯＳＦＥＴ漏極被電容電壓牽制，只有漏極電流下降接近０時，其電壓才 緩慢升至最大，因而源極上電壓和電流不會同時達到最大值而出現最大瞬時尖峰功耗，
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