Power supplies for high-power piezoelectric multi-mass ultrasonic motor [Elektronische Ressource] / von Rongyuan Li
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Power supplies for high-power piezoelectric multi-mass ultrasonic motor [Elektronische Ressource] / von Rongyuan Li

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FAKULTÄT FÜR ELEKTROTECHNIK, INFORMATIK UND MATHEMATIK Power Supplies for High-Power Piezoelectric Multi-Mass Ultrasonic Motor Zur Erlangung des akademischen Grades DOKTORINGENIEUR (Dr.-Ing.) der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik der Universität Paderborn genehmigte Dissertation von M.Sc. Rongyuan Li Guizhou, China Referent: Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Andreas Steimel Tag der mündlichen Prüfung: 29.01.2010 Paderborn, den 05.07.2010 Diss. EIM-E/263 DeclarationI confirm that the work submitted in this dissertation is the result of my owninvestigation and all the sources I have used or quoted have been acknowledgedby means of complete references.Paderborn, Sep.21.2009Rongyuan Lito my loving parents, wife and son.AcknowledgmentsThe work submitted in this dissertation has been carried out during my researchas scientific co-worker at University of Paderborn, department of Power Electron-ics and Electric Drives (LEA), Germany.IwouldliketoexpressmysincerelyhighappreciationtomyadvisorProf. Dr.-Ing.Joachim Böcker for his strict confidence, availability and full support throughoutthe whole period of my doctoral research. Dr. Böcker’s extensive vision andcreative thinking have been the source of my inspiration for the Ph.D work.I sincerely thank Dr.-Ing. Norbert Fröhleke, he gives me guidance, encourage-ment and support during all the time.

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Published 01 January 2010
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FAKULTÄT FÜR
ELEKTROTECHNIK,
INFORMATIK UND
MATHEMATIK










Power Supplies for
High-Power Piezoelectric
Multi-Mass Ultrasonic Motor



Zur Erlangung des akademischen Grades

DOKTORINGENIEUR (Dr.-Ing.)

der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik
der Universität Paderborn
genehmigte Dissertation
von

M.Sc. Rongyuan Li
Guizhou, China



Referent: Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker
Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Andreas Steimel


Tag der mündlichen Prüfung: 29.01.2010


Paderborn, den 05.07.2010

Diss. EIM-E/263

Declaration
I confirm that the work submitted in this dissertation is the result of my own
investigation and all the sources I have used or quoted have been acknowledged
by means of complete references.
Paderborn, Sep.21.2009
Rongyuan Lito my loving parents, wife and son.Acknowledgments
The work submitted in this dissertation has been carried out during my research
as scientific co-worker at University of Paderborn, department of Power Electron-
ics and Electric Drives (LEA), Germany.
IwouldliketoexpressmysincerelyhighappreciationtomyadvisorProf. Dr.-Ing.
Joachim Böcker for his strict confidence, availability and full support throughout
the whole period of my doctoral research. Dr. Böcker’s extensive vision and
creative thinking have been the source of my inspiration for the Ph.D work.
I sincerely thank Dr.-Ing. Norbert Fröhleke, he gives me guidance, encourage-
ment and support during all the time. In an incredible short time, he carefully
reads all my manuscript and gives invaluable remarks.
I would like to appreciate Prof. Dr.-Ing Horst Grotstollen and Prof. Xingshan Li
(Beihang University, China), they kindly initiate me into the study in the depart-
ment of Power Electronics and Electric Drives (LEA) at University of Paderborn
for pursuing my doctor’s degree.
I would like to thank Prof. Dr.-Ing. Andreas Steimel, as an important mem-
ber of the committee, he gives good advices and suggestions for my manuscript.
I also want to thank all of the other committee members.
It has been a great pleasure to work in the group of LEA, and to work with
such talented, hard-working and creative colleagues. I would like to thank all of
them, their friendships and help make my stay at LEA pleasant and enjoyable.
This is a happy reminiscent stage in my life.
I also want to thank the administrative and technical co-workers of LEA for
their great help. Special thanks are due to Mr. Norbert Sielemann for his fruitfulcollaboration in the realization of hardware for the laboratory prototypes.
I’d like to give my sincere thanks to my parents for their endless love, encourage-
ment and support throughout my life.
Finally, I would like to thank my wife, Manli Hu, who has always been there
with her love, encouragement and understanding during this period of my doc-
toral study.
Thanks belong to the European Community for funding the PIBRAC project
under AST4-CT-2005-516111 as well as our project partners.Kurzfassung
Verglichen mit klassischen elektromagnetischen Motoren weisen piezoelektrische
Ultraschallmotoren hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und niedrige
Trägheit auf, was sie für spezielle industrielle Anwendungen, bei denen es auf
hoheKraftdichtenankommt,qualifiziert. SosindsieimKontextdereuropäischen
undamerikanischenFörderprogrammezu"MoreElectricAircraft"favorisierteAk-
toren. Bisher jedoch existieren keine industriellen piezoelelektrischen Antriebe,
bestehend aus Motor und geregelter Stromversorgung im Leistungsbereich von
einigen Kilowatt, wie sie für den Ersatz hydraulischer Bremsen für Flugzeuge
erforderlich sind. Das europäische Projekt PIBRAC (Piezoelectric Break Ac-
tuator) zielt darauf ab, die Technologie eines leistungsstarken piezoelektrischen
Multimassen-Ultraschallmotors, der durch ein Vorprojekt entwickelt wurde, für
einen Flugzeugbremsaktuator zu entwickeln.
Ziel dieser Dissertation ist es, eine passende elektronische Stromversorgung
für die Speisung eines Multimassen-Ultraschallmotors zu untersuchen und zu ent-
wickeln.
DazuwirdzunächsteineLiteraturübersichtüberdieKonzeptederStromrichter
gegeben, die hinsichtlich Blindleistungskompensation, harmonische Verzerrun-
gen und ihrer Beeinflussung durch Mehrstufen-Wechselrichter beurteilt werden.
Ebenso in die Beurteilung eingeschlossen sind Entwurfsaspekte der Filterschal-
tung und Regelung.
Der neu vorgeschlagene LLCC-PWM Umrichter, bestehend aus LLCC-Filter
kombiniert mit PWM Stromrichter, wird zur Anregung des piezoelektrischen
Hochleistungsmotors entwickelt. Zwei- und Drei-Stufen Wechselrichter in Verbin-
dung mit PWM Techniken wurden hinsichtlich Elimination von Oberschwingun-
gen, Verlustleistungen, harmonischer Verzerrung, Volumen und Gewicht des Fil-
ters untersucht.
Um ausgewählte Oberschwingungen (3., 5., 7. und 9. Oberschwingungen)
der Speisespannung zur Lebensdauerverlängerung der piezoelektrischen Stacks
zu beseitigen, werden entsprechende Schaltwinkel der PWM off-line berechnet.Oberschwingungen höherer Ordnung werden durch die LLCC Filtereigenschaften
ausreichend gedämpft.
Mit der neuartigen Lösung sind folgende bedeutende Vorteile verbunden:
1. Die Blindleistung des piezoelektrischen Aktors wird lokal kompensiert, in-
dem die parallel angeordnete Spule nahe am Aktor angebracht wird. Folg-
lichliefertdergesamtevorgeschalteteSchaltungsteilbestehendausWechsel-
richter, Schwingkreis, Transformator und Kabel, welches im Flugzeug dur-
chaus 20 Meter lang sein kann, überwiegend Wirkleistung. Dadurch kann
der Wirkungsgrad erhöht und die Belastung der vorgenannten Bauteile ver-
ringert werden.
2. DasAusgangsfilterweist,verglichenmitdenklassischenResonanzumrichtern,
eine optimierte Leistung bei minimalem Volumen und Gewicht auf, und
nutzt darüber hinaus die Streuinduktivität des Transformators sowie die
Induktivität des Kabels.
3. Die gesamte harmonische Verzerrung (THD) der piezoelektrischen Aktor -
Spannung wird bei gleichbleibender Schaltfrequenz reduziert.
Für den Steuerungsentwurf wird ein Mittelwertmodell für den Multimassen-
Ultraschallmotor vorgeschlagen. Die Regelungsentwürfe werden durch Simula-
tionen zum transienten und stationären Verhalten untersucht und überprüft. Ein
Spannungsregler mit Vorsteuerung, gegründet auf einer vereinfachten inneren
Übertragungsfunktion, wird dann vorgestellt. Ein FPGA wird als Kontroller
aufgrund seiner Flexibilität und Verarbeitungsgeschwindigkeit eingesetzt.
Andere Anwendungsbereiche der LLCC-PWM Umrichter sind: Ultraschall-
unterstütze Materialbearbeitung wie Bohren, Schneiden, Meißeln und Fräsen.Abstract
Duetotheparticularperformancesofpiezoelectricultrasonicmotorscomparedto
classical electromagnetic motor, such as high torque at low rotational speed and
low inertia, they qualify for specific industrial applications. During the progress
towardsthe"MoreElectricAircraft",researchanddevelopmentofactuatorsbased
on piezoelectric technology impact more technological innovations. However, an
industrializedpiezoelectricdeviceconsistingofmotoranditspowersupplydonot
exist in the kilowatt power range and above. They are required, e.g. for piezo-
electric brake actuators to replace hydraulic brake actuators used in aircrafts.
Hence, the European project PIBRAC aims to research the high-power piezoelec-
tricmulti-massultrasonicmotorstechnologyinordertodevelopanaircraftbrake
actuator for an advanced application.
The purpose of this dissertation is to investigate the technology of designing
the power supply and its control for driving high power piezoelectric multi-mass
ultrasonic motor developed in PIBRAC project.
A comprehensive literature survey is presented on reactive-power compen-
sation, harmonic distortion, multilevel inverter techniques, filter circuit design
issues, control issues, and fundamental issues on piezoelectric actuator drive
schemes.
The proposed LLCC-PWM inverter was developed to excite the high-power
piezoelectric ultrasonic motors, where a LLCC-filter circuit is utilized and oper-
ated in PWM-controlled mode. Two-level and three-level harmonic elimination
technologiesareinvestigatedinrespecttopowerlosses,totalharmonicsdistortion,
volume and weight of the filter circuit.
rd th th thIn order to eliminate selected harmonics (3 , 5 , 7 and 9 harmonic) for
prolonging the lifetime of the piezoelectric stacks, suitable switching angles of
the PWM are calculated off-line. Other higher frequency harmonics will be suffi-
ciently suppressed by the LLCC filter characteristics.
Theproposedsolutionofferssignificantadvantagestoimprovetheperformance
of the power supply as follows.1. Reactivepowerofthepiezoelectricactuatoriscompensatedlocally, byplac-
ingtheinductorclosetotheactuator. Thereforepowersupplyandthecable
connecting power supply and piezoelectric actuator provide mostly active
power, their volume and weight are reduced consequently.
2. The output filter shows optimized performance at minimized volume and
weight, compared to the classical resonant inverters, and makes use of leak-
age inductance of transformer and cable inductance.
3. Total harmonic distortion (THD) of the piezoelectric actuator voltage is
reduced without increasing the switching frequency.
ControlschemesareproposedfordrivingtheMM-USM.Forcontroldesign, an
averaging model of the MM-USM driven by LLCC PWM inverter is studied and
verified by simulation results at transient and steady state conditions. A feed-
forward voltage controller is designed and implemented, based on a simplified
inner loop transfer function. A FPGA is employed as controller by reason of its
flexibility, fast and parallel processing characteristics.
TheproposedLLCC-PWMinverterwasemployedfordrivingahighpowerair-
bornepiezoelectricbrakeactuatorinanEuropeanprojectPIBRAC.Otherpoten-
tial fields of application of LLCC-PWM inverters are: superimposed sonotrodes
assisted ultrasonic drilling, cutting, and milling of tooling machines.