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應用於線性超音波馬達驅動電路之單級高功因半橋共振技術SINGLE-STAGE HIGH-POWER-FACTOR HALF BRIDGE RESONANT TECHNIQUE FOR LINEAR ULTRASONIC MOTOR DRIVING CIRCUIT(讓渡案)
專利名稱 應用於驅動線性超音波馬達的裝置
申請日 (校編號) 2008/06/06  (097076TW)
專利證書號 I399028 中華民國
專利權人 國立中央大學
發明人 林法正、謝耀慶、鄭宏良、洪健益


技術摘要:
本發明應用單級高功因半橋驅動裝置,提出由半橋共振反流器及降升壓轉換器所組成之電路架構,產生穩定高頻交流正弦電壓,以驅動線性超音波馬達(Linear Ultrasonic Motor,LUSM)。一般線性超音波馬達操作在超音波之範圍,且由於具有體積小、高保持力、低速高驅動力、安靜及無傳統電磁馬達之電磁干擾問題等優點,使之廣泛應用於工業上,然而其動態特性及馬達參數為非線性時變且易受不同操作條件影響。本發明之前級電路為單級高功因半橋反流器,將由非對稱脈波寬度調變(Asymmetrical Pulse-Width-Modulation,APWM)技術切換所得之方波訊號輸入單級高功因半橋反流器,同時利用設計的參數值,確保開關在零電壓切換導通及零電流切換導通。最後再經由LCR共振電路產生共振得到輸出為一39kHz至42kHz之純正弦交流電壓波形。其驅動電路特徵如下: 1.單級高功因半橋反流器是非對稱脈波寬度半橋反流器結合降升壓轉換器,且共用一個開關以節省成本。利用降升壓轉換器來提高功率因數,並藉由設計的參數值確保開關在零電壓切換導通及零電流切換導通。 2.利用零電壓切換以及零電流切換原理,可減少寄生元件效應及降低切換損失,以提高驅動電路之效率。

解決的問題或達成的功效:
線性超音波馬達為新型超音波馬達,一般以超音波頻率驅動,且由於具有體積小、安靜、高保持力、低速高驅動力及無傳統電磁馬達之電磁干擾問題等優點,使之廣泛於工業應用,特別是應用於高精度之微機電直線運動控制。線性超音波馬達的動態特性及馬達參數為時變且非線性,尤其馬達參數對於溫度變化非常敏感。因此為減少高頻諧波電壓對線性超音波馬達產生不穩定脈動現象,且考慮溫升效應;一般而言,皆以高頻正弦波電壓驅動。目前產生高頻正弦波方式大多以方波切換加裝濾波器或是使用共振電路為主。由於共振方式輸出電壓波形具有柔性切換、效率高及無諧波成分等優點,為目前電力電子主要研究方向。

應用領域:
馬達

適用產品:
馬達

IPC:
H02N-002/06(2006.01)

Claim 1:
1.一種應用於驅動線性超音波馬達的裝置,用以驅動一線性超音波馬達,其中該線性超音波馬達包括一第一方向端、一第二方向端以及一訊號接收端,此應用於驅動線性超音波馬達的裝置包含:一橋式整流電路,係由二極體組合而成,以將交流輸入電壓整流成一直流電壓,其中,該橋式整流電路包括一第一輸出端以及一第二輸出端,其中,該第一輸出端與該第二輸出端的電壓差為該直流電壓;一升降壓電感,包括一第一端以及一第二端,其中,該升降壓電感的第一端耦接該橋式整流電路的第一輸出端;一第一二極體,包括一陽極以及一陰極,其中,該第一二極體的陰極耦接該升降壓電感的第一端;一直流鏈電容,包括一第一端以及一第二端,其中,該直流鏈電容的第一端耦接該第一二極體的陽極;一單級高功因半橋反流器,包括一第一電子開關以及一第二電子開關,其中,該第一電子開關與該第二電子開關分別包括一續流二極體、一第一端、一第二端以及一控制端,其中,該第一電子開關的第一端耦接該直流鏈電容的第二端,該第一電子開關的第二端耦接該升降壓電感的第二端,該第一電子開關的續流二極體的陽極耦接該第一電子開關的第二端,該第一電子開關的續流二極體的陰極耦接該第一電子開關的第一端,該第二電子開關的第一端耦接該升降壓電感的第一端,該第二電子開關的第二端耦接該第二輸出端,該第二電子開關的續流二極體的陽極耦接該第二電子開關的第二端,該第二電子開關的續流二極體的陰極耦接該第二電子開關的第一端;一第二二極體,包括一陽極以及一陰極,其中,該第二二極體的陽極耦接該第二電子開關的第二端,該第二二極體的陰極耦接該升降壓電感的第一端;一第三二極體,包括一陽極以及一陰極,其中,該第三二極體的陽極耦接該第二二極體的陰極,該第三二極體的陰極耦接該升降壓電感的第二端;一第一分壓電容,包括一第一端以及一第二端,其中,該第一分壓電容的第一端耦接該直流鏈電容的第二端;一第二分壓電容,包括一第一端以及一第二端,其中,該第二分壓電容的第一端耦接該第一分壓電容的第二端,該第二分壓電容的第二端耦接該第二二極體的陰極;一LCR共振電路,包括:一諧振電感,包括一第一端以及一第二端,其中,該諧振電感的第一端耦接該第一電子開關的第二端;一諧振電容,包括一第一端以及一第二端,其,該諧振電容的第一端耦接該諧振電感的第二端,該諧振電容的第二端耦接該第二分壓電容的第一端;以及一諧振電阻,其中,該諧振電阻與該諧振電容並聯,其中,該LCR共振電路具有一諧振頻率;其中,上述升降壓電感、上述第一二極體、上述直流鏈電容以及上述第一電子開關構成一降升壓轉換器,其中該降升壓轉換器用以進行功率因數轉換,以提升功率因數;其中,上述第一電子開關以及上述第二電子開關構成一半橋反流器;一非對稱脈波寬度調變控制電路,可以產生兩組非對稱方波驅動訊號,經由隔離與驅動放大電路進行隔離與放大後提供單級高功因半橋驅動裝置上兩個電子式開關之閘極驅動訊號;一方向控制電路,耦接該諧振電容的第二端、該線性超音波馬達的第一方向端以及第二方向端,依據外界送入交流命令電壓之正負電性,控制馬達的行進方向;其中,該非對稱脈波寬度調變控制電路控制該第二電子開關,使該升降壓電感操作在電流非連續模式(DCM),導致每一操作週期,該升降壓電感的能量皆釋放完畢,進一步讓電壓與電流同相位,提高功率因數;其中,該非對稱脈波寬度調變控制電路操作兩個電子式開關之閘極驅動訊號,使該諧振電感的第一端所接收的電子訊號的頻率大於等於該諧振頻率,讓整體負載呈現電感性,導致在該第二電子開關導通前,電流流過第二電子開關的續流二極體,使該第二電子開關在導通時,第一端與第二端的跨壓為該續流二極體的跨壓,達到零電壓切換。

聯繫方式
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