王 璐，楊 明，莊曉奇

(上海交通大學(xué)，上海200240)

0 引 言

超聲波電動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕、響應(yīng)時(shí)間快、結(jié)構(gòu)緊湊多樣、力矩密度大、不受電磁干擾影響、適合間歇運(yùn)行等優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比，能量轉(zhuǎn)換效率低，限制了它的應(yīng)用［1］。文獻(xiàn)［2］提出通過調(diào)壓和模糊控制算法，來提高其能量轉(zhuǎn)換效率，并通過實(shí)驗(yàn)證明了其有效性［2］。文獻(xiàn)［3］專門針對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的發(fā)熱問題進(jìn)行研究，提出了一套完整的基于溫度反饋的閉環(huán)調(diào)頻控制算法，控制了溫升，進(jìn)而提高能量轉(zhuǎn)化效率。超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流是與其輸出功率密切相關(guān)的量，無論是從控制算法、溫升或者其它角度去研究能量轉(zhuǎn)化效率，最終都是與超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流密切相關(guān)的。但是專門針對(duì)不同驅(qū)動(dòng)和運(yùn)行條件下，驅(qū)動(dòng)電流特性的研究很少，無法為研究進(jìn)一步提高超聲波電動(dòng)機(jī)的輸出效率、輸出力矩等提供參考。為研究這一問題，首先需要搭建一套完整的、靈活性高、精度高、響應(yīng)快、適合長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試的專門針對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的電流測(cè)試系統(tǒng)。然而在公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，專門研究超聲波電動(dòng)機(jī)電流測(cè)試系統(tǒng)的較少，僅在文獻(xiàn)［5］里有提及，用阻值很小的無感電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、搭建速度快，但是需要將電阻串接到驅(qū)動(dòng)電路中，會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路本身阻抗特性有影響，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流的測(cè)試精度較低。因?yàn)闆]有隔離，功率電路中的高電壓可能通過反饋電路進(jìn)入弱電的控制電路中，危及到控制系統(tǒng)的安全［6］。同時(shí)電阻本身消耗功率，發(fā)熱嚴(yán)重，不能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試。為了解決上述問題，搭建應(yīng)用范圍廣、靈活性高、精度高、適宜長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試的系統(tǒng)，本文研制了基于閉環(huán)磁通門技術(shù)的超聲波電動(dòng)機(jī)電流測(cè)試系統(tǒng)。

1 超聲波電動(dòng)機(jī)電流特性與閉環(huán)磁通門測(cè)量電流原理

1.1 超聲波電動(dòng)機(jī)電流特性

行波旋轉(zhuǎn)型超聲波電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用最廣的一類超聲波電動(dòng)機(jī)，其等效電路模型如圖1所示。其中:Rd表示壓電陶瓷介電損耗，電容Cd為存儲(chǔ)電荷能力，Lm1和Cm1表示定子存儲(chǔ)動(dòng)能和彈性勢(shì)能的能力，Rm1表示定子振動(dòng)的機(jī)械損耗。CF代表摩擦層存儲(chǔ)彈性勢(shì)能的能力，RF為摩擦損耗。Capplied為預(yù)壓力施加機(jī)構(gòu)的存儲(chǔ)彈性勢(shì)能的能力，RL為負(fù)載［7］。

圖1 行波旋轉(zhuǎn)型超聲波電動(dòng)機(jī)等效電路模型

超聲波電動(dòng)機(jī)本身是一個(gè)強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，負(fù)載、溫度(與能量轉(zhuǎn)化效率，輸出力矩等密切相關(guān))等的變化都會(huì)引起電機(jī)等效電路模型參數(shù)的變化［4］。這些變化在驅(qū)動(dòng)電壓波形不變的條件下，都會(huì)引起驅(qū)動(dòng)電流的變化。因此通過電流的精確測(cè)量，可以間接研究超聲波電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)化效率、輸出力矩等問題。

1.2 閉環(huán)磁通門測(cè)量電流原理

閉環(huán)磁通門測(cè)量電流具有測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)特性好等特點(diǎn)，本研究采用閉環(huán)磁通門技術(shù)的傳感器來檢測(cè)電流，通過檢測(cè)被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來間接檢測(cè)電流。磁通門現(xiàn)象是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的一種，與變壓器很相似，但是磁通門傳感器和傳統(tǒng)變壓器的用途和結(jié)構(gòu)不同。變壓器鐵心所處的磁場(chǎng)除了激磁磁場(chǎng)以外，還疊加了環(huán)境磁場(chǎng)，考慮環(huán)境磁場(chǎng)施加在鐵心軸向的分量時(shí)，變壓器產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì):

式中:e為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);μ為鐵心的磁導(dǎo)率;S為橫截面積;H為激磁磁場(chǎng)強(qiáng)度;W2為感應(yīng)線圈匝數(shù);Hs為鐵心飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度;Hm為激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值。當(dāng)比Hs和Hm小很多時(shí)，它對(duì)μ(t)的影響將非常小。μ(t)的傅里葉級(jí)數(shù)如下:

因此可得下式:

所謂閉環(huán)磁通門系統(tǒng)是指磁通門電路獲取感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中幅值相對(duì)較大的二次諧波分量，并經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路變成模擬信號(hào)，然后將該模擬信號(hào)連接至相應(yīng)的反饋線圈，產(chǎn)生變化的反饋電流，建立反饋磁場(chǎng)，與被測(cè)環(huán)境磁場(chǎng)代數(shù)相減，使變壓器鐵心工作在零磁通狀態(tài)，兩者達(dá)到平衡。閉環(huán)磁通門系統(tǒng)可以大大提高系統(tǒng)帶寬和響應(yīng)時(shí)間。

本系統(tǒng)的傳感器設(shè)計(jì)為基于閉環(huán)磁通門技術(shù)的LEM電流傳感器。主要優(yōu)點(diǎn)為非接觸測(cè)量、精度高、響應(yīng)快，受共模干擾及溫漂影響小，尺寸小。該傳感器將磁通門和閉環(huán)反饋控制模塊集成到一起，工作原理示意圖如圖2所示。

圖2 LEM閉環(huán)磁通門傳感器工作原理

圖2 中，IP為被測(cè)電流，U(t)為輸出，當(dāng)原級(jí)被測(cè)電流通過時(shí)，產(chǎn)生磁場(chǎng)，聚磁環(huán)將其聚集到自飽和電感上，閉環(huán)模塊反饋線圈電流Is，產(chǎn)生的磁場(chǎng)用來補(bǔ)償原級(jí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，迅速使磁通門輸出電路檢測(cè)到零磁通，此時(shí)的Is值就與原級(jí)電流成比例，后級(jí)的電路將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出［9－10］。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超聲波電動(dòng)機(jī)特殊的運(yùn)動(dòng)機(jī)理要求驅(qū)動(dòng)電路必須在超聲頻段內(nèi)提供兩相具有一定相位差的同頻、等幅的正弦交流電，本研究所用驅(qū)動(dòng)電路為全橋型DC－AC逆變器。本研究?jī)H測(cè)試其中一相驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電流。

測(cè)試平臺(tái)的硬件部分有超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電流測(cè)試電路板、實(shí)時(shí)控制器及計(jì)算機(jī);軟件部分需要控制整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行，同時(shí)在計(jì)算機(jī)上顯示、保存一些測(cè)試結(jié)果?？刂破脚_(tái)選用實(shí)驗(yàn)室美國(guó)國(guó)家儀器公司的實(shí)時(shí)控制器Compact RIO，編程語言為新一代圖形化編程語言LabVIEW。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 超聲波電動(dòng)機(jī)電流測(cè)試系統(tǒng)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率一般在20～100 kHz之間［1］，本研究所用的60型行波旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率為42 kHz左右，電壓峰－峰值500 V左右。頻率高、驅(qū)動(dòng)功率大，同時(shí)要求測(cè)試精度要高。

根據(jù)具體的性能指標(biāo)選擇型號(hào)，一般要考慮線性范圍與量程、靈敏度、精度、頻率響應(yīng)特性等因素［10］。其中LEM公司的電流傳感器CAS 6－NP的線性度好，線性度誤差僅為0.1%，響應(yīng)時(shí)間為微秒級(jí)，帶寬為300 kHz，本研究使用的超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率為41.2 kHz左右，滿足要求。綜上所述，本測(cè)試系統(tǒng)的電流傳感器最終選為L(zhǎng)EM公司非接觸式采用閉環(huán)磁通門技術(shù)的CAS 6－NP。

除了包括閉環(huán)磁通門，傳感器內(nèi)部還有信號(hào)調(diào)理電路，包括初步的放大和加偏置。當(dāng)被測(cè)電流為0時(shí)，傳感器輸出為2.5 V;當(dāng)被測(cè)電流大于0時(shí)，輸出大于2.5 V;當(dāng)被測(cè)電流小于0時(shí)，輸出小于2.5 V，因此，傳感器的輸出為2.5 V的直流偏置疊加脈動(dòng)信號(hào)。最終傳感器的輸出阻抗是2 Ω，帶負(fù)載能力強(qiáng)。

傳感器信號(hào)處理電路首先是放大電路，其中放大芯片選用精密儀表運(yùn)算放大器AD620。AD620精度高，具有高輸入阻抗、高共模抑制比等特點(diǎn)，可以放大直流脈動(dòng)信號(hào)，被測(cè)信號(hào)中有較大的直流偏置，放大器易于飽和，而真正希望放大的是脈動(dòng)信號(hào)。因此在運(yùn)放的反相輸入端，加入可調(diào)節(jié)的直流電平，抵消被測(cè)信號(hào)中的直流偏置，僅放大兩者的差值。最終放大倍數(shù)調(diào)節(jié)為31.8倍，直流偏置為2.37 V。CAS 6－NP的靈敏度為104 mV/A，因此整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度為3.307 V/A，疊加一個(gè)(2.5－2.37)×31.8=4.134 V 的直流偏置。具體電路如圖4所示。

圖4 傳感器信號(hào)調(diào)理電路

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分是基于實(shí)時(shí)控制器Compact RIO的新一代圖形化編程語言LabVIEW。實(shí)現(xiàn)的功能主要是電流信號(hào)的采集、傳輸、顯示等。

CompactRIO系統(tǒng)構(gòu)架主要包括嵌入式實(shí)時(shí)控制器(NI Crio－9014)、可重配置 FPGA(NI Crio－9112)、及模塊化 I/O(NI9201)CompactRIO的 RIO

(FPGA)核心內(nèi)置數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)傳到嵌入式處理器，以進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)記錄或與聯(lián)網(wǎng)主機(jī)通信。所有I/O模塊都包含內(nèi)置的接口、信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換電路(如ADC或DAC)等。

電流信號(hào)的采集通過LabVIEW編程控制FPGA和AI模塊NI 9201來實(shí)現(xiàn)。

然后傳輸?shù)綄?shí)時(shí)控制器進(jìn)行顯示、分析。程序框圖如圖5所示。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)LabVIEW程序框圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖6所示，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和Compact RIO控制器(已裝箱)，電流檢測(cè)電路板，波形監(jiān)測(cè)示波器，計(jì)算機(jī)及商用直徑60 mm的行波旋轉(zhuǎn)型超聲波電動(dòng)機(jī)。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

3.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)電機(jī)為直徑60 mm的行波旋轉(zhuǎn)型超聲波電動(dòng)機(jī)，固定兩相驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值、相位差，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率，記錄電流檢測(cè)電路輸出波形的頻率及峰－峰值。分別調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率為42 kHz和43.4 kHz，電流測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為42 kHz時(shí)，電流檢測(cè)電路輸出信號(hào)頻率為42 kHz，峰 － 峰值為3.84 V，CAS 6－NP的靈敏度為104 mV/A，經(jīng)計(jì)算，峰值電流為0.58 A。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為43.4 kHz時(shí)，電流檢測(cè)電路輸出信號(hào)頻率為43.4 kHz，峰－峰值為4.48 V，CAS 6 －NP的靈敏度為104 mV/A，經(jīng)計(jì)算，峰值電流為0.68 A。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電流檢測(cè)電路輸出信號(hào)的頻率與驅(qū)動(dòng)頻率一致。不同驅(qū)動(dòng)頻率時(shí)，單相的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)跟隨頻率有明顯變化。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率從42～43.2 kHz變化，步長(zhǎng)為100 Hz，電流測(cè)試波形的峰峰值如圖8所示。

圖8 驅(qū)動(dòng)頻率變化時(shí)電流測(cè)試波形峰峰值

從圖8可以發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)頻率在接近42.7 kHz時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流較大，驅(qū)動(dòng)電路處于諧振狀態(tài);當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率在接近42.9 kHz，驅(qū)動(dòng)電流較小，驅(qū)動(dòng)電路處于反諧振狀態(tài)。由圖7和圖8可以看出，驅(qū)動(dòng)電流的檢測(cè)可以為超聲波電動(dòng)機(jī)特性的研究提供參考［11］。同時(shí)，在整個(gè)測(cè)試過程中，傳感器未發(fā)現(xiàn)明顯溫升，接近于室溫。

4 結(jié) 語

本文首先分析了測(cè)試超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的必要性，然后介紹了閉環(huán)磁通門測(cè)量電流的原理。搭建了基于閉環(huán)磁通門傳感器CAS 6－NP的電流測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)靈敏度高，適合長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試。

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