摘要：將直接數(shù)字頻率合成技術(shù)應(yīng)用于行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，提出一種具有調(diào)頻，調(diào)相和調(diào)幅功能的高性能超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。 關(guān)鍵詞： 超聲波電機(jī) 直接數(shù)字頻率合成 Abstract：In this article, Direct Digital Frequency Synthesis Technology are used to design Traveling-Wave Type Ultrasonic Motor driver. A kind of Ultrasonic Motor driver, which have the ability of Frequency Modulation, Phasic Modulation and Amplitude Modulation is presented Key Words: Ultrasonic Motor ; Direct Digital Frequency Synthesis 　　 1 前 言： 　　 超聲波電機(jī)（USM）是二十世紀(jì)七○年代發(fā)展起來的一種新型電機(jī)，發(fā)展歷史只有30多年，但是超聲波電機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩、斷電自鎖，無噪音，無電磁干擾等許多電磁馬達(dá)所不能及的優(yōu)點(diǎn)，所以發(fā)展十分迅速。 　　 超聲波電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)，將彈性材料的微觀變形通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運(yùn)動(dòng)的。由于壓電陶瓷的特性，以及定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦特性受溫度變化影響大，且存在嚴(yán)重非線性，因此在控制精度要求較高的場(chǎng)合不宜使用傳統(tǒng)PID控制，而應(yīng)使用自適應(yīng)控制和智能控制。通常這類控制算法比較復(fù)雜，需要使用DSP芯片來完成。由于DSP芯片輸出的控制信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，而超聲波電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是兩路具有一定幅值，頻率，和相位差的正弦信號(hào)，因此需要通過驅(qū)動(dòng)器來完成這種轉(zhuǎn)換。 　　 超聲波電機(jī)的速度控制方法與特點(diǎn)： 　　 超聲波電機(jī)常用的速度控制方式有調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅三種。各有優(yōu)缺點(diǎn)。調(diào)頻是一種較常用的超聲波電機(jī)調(diào)速方法，但是電機(jī)諧振點(diǎn)隨著溫度變化而變化，導(dǎo)致了電機(jī)轉(zhuǎn)速隨溫度變化，而且電機(jī)通常不能工作在最佳頻率點(diǎn)上，不能獲得最大振幅，效率較低。圖1給出了USR-60型超聲波電機(jī)在不同溫度下的轉(zhuǎn)速頻率特性。調(diào)相方式是在-90°～ +90°之間改變兩正弦波驅(qū)動(dòng)電壓的相位差，這種調(diào)速方式可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，還可以方便地改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。但是，在零相位差附近存在死區(qū)，而且死區(qū)隨負(fù)載力矩的增加而增加。調(diào)幅也是一種超聲波電機(jī)調(diào)速方法，具有線性好，速度變化平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，但在低速時(shí)性能不佳。而且常用的PWM（Pulse-Width Modulation）驅(qū)動(dòng)器一般不具有調(diào)幅能力，所以較少采用 3 對(duì)超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)要求： 　　 從上面對(duì)超聲波電機(jī)速度控制方式的討論可知，如果需要在較大范圍內(nèi)精確控制超聲波電機(jī)的轉(zhuǎn)速，僅使用某一種速度控制方式是很難實(shí)現(xiàn)的。綜合使用上面三種速度控制方式則是較好的選擇。因此，理想的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該具有如下一些特點(diǎn)：1：輸出兩路正弦波。2：兩路正弦波頻率在35KHz～45KHz之間連續(xù)可調(diào)（對(duì)于不同型號(hào)超聲波電機(jī)可能稍有變化）。3：兩路正弦波驅(qū)動(dòng)電壓的相位差在-90°～+90°之間連續(xù)可調(diào)，4：兩路正弦波電壓有效值在0～120V之間連續(xù)可調(diào)。5：具有較高的頻率、相位、幅值控制精度。 　　 4 目前常用超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)與不足： 　　 目前超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)器大多使用PWM驅(qū)動(dòng)方式。圖3給出了這類驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)原理圖。從圖中可以看出，該控制器使用方波替代正弦波來簡(jiǎn)化調(diào)頻和調(diào)相過程。由于超聲波電機(jī)工作在容性狀態(tài)，再加上驅(qū)動(dòng)電路大多串聯(lián)電感來提高功率因數(shù)，所以電機(jī)的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓為近似正弦波。圖2是該控制器輸出級(jí)輸出電壓的實(shí)測(cè)結(jié)果。這種控制器可以方便的實(shí)現(xiàn)調(diào)頻和調(diào)相，而且精度較高。但調(diào)幅比較困難，有些資料提出使用改變占空比來間接調(diào)幅，但存在輸出電壓幅值與占空比不成比例、調(diào)節(jié)范圍小和控制精度低等問題，因此很少采用。此外PWM驅(qū)動(dòng)器輸出電壓中含有較多諧波成份，這會(huì)增加電機(jī)溫升。 5 基于DDS技術(shù)的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)器原理與特點(diǎn)： 　　 本文提出的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是以直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Frequency Synthesis簡(jiǎn)稱DDS）技術(shù)為基礎(chǔ)的，因此有必要對(duì)DDS技術(shù)做一簡(jiǎn)單介紹。DDS技術(shù)是近幾年來迅速發(fā)展起來的頻率合成技術(shù)，它采用全數(shù)字化技術(shù)，具有集成度高、體積小、相對(duì)帶寬寬、頻率分辨率高、相位連續(xù)性好、可編程控制和控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，并能直接與DSP接口構(gòu)成智能化頻率源。 　 DDS是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形的。圖4是DDS的基本電路原理框圖。 相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每次時(shí)鐘脈沖fS到來，加法器就將頻率控制字k與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，并把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上次時(shí)鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以便加法器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時(shí)鐘作用下，不斷對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性相位累加。因此，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號(hào)頻率。 　　　　 用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為正弦波形存儲(chǔ)器（ROM）的相位取樣地址，就可以把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的正弦波形采樣值通過查找表查出。該采樣值經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為要求合成頻率的正弦信號(hào)。圖中的低通濾波器用于濾除不需要的采樣分量，以便得到純凈正弦波信號(hào)。圖5是采用DDS技術(shù)合成的正弦信號(hào)實(shí)測(cè)結(jié)果。本文提出的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用AD公司最近推出的DDS芯片AD9852為核心。該器件內(nèi)含48位頻率累加器、48位相位累加器、正余弦波形表、12位正交數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及調(diào)制和控制電路,該芯片能夠在單片上完成頻率調(diào)制、相位調(diào)制和幅度調(diào)制。由于AD9852內(nèi)部時(shí)鐘頻率最大可達(dá)300MHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，其輸出信號(hào)頻率上限為150MHz。以上指標(biāo)完全滿足驅(qū)動(dòng)器對(duì)DDS芯片精度和帶寬的要求。 圖6是以DDS技術(shù)為基礎(chǔ)的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)器原理框圖。DSP芯片根據(jù)需要輸出的驅(qū)動(dòng)電壓的頻率、相位和幅值計(jì)算出所需的頻率控制字、相位控制字和幅值控制字，并把這些控制字通過串行或并行方式寫入兩片AD9852。AD9852按照控制字的要求輸出兩路正弦信號(hào)，再經(jīng)過功率放大和變壓器升壓后驅(qū)動(dòng)超聲波電機(jī)工作。兩路低通濾波電路和功率放大電路完全相同，它們對(duì)輸入信號(hào)的相移也相同，不會(huì)對(duì)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生不利影響，因?yàn)橛绊懗暡姍C(jī)轉(zhuǎn)速的是兩相驅(qū)動(dòng)電壓的相位差。 6 驅(qū)動(dòng)器控制精度分析： 　　 AD9852的頻率控制字長(zhǎng)為48位，其輸出信號(hào)可以編程控制的頻率精度Δf為： Δf＝300×106／248＝1.066×10－6 AD9852的相位控制字長(zhǎng)為14位，其輸出信號(hào)可編程控制的相位精度 ΔP為： ΔP＝π／214＝1.917×10－4 弧度 AD9852的數(shù)模轉(zhuǎn)換器為12位，其輸出信號(hào)可編程控制的幅值精度ΔA為： ΔA＝1／212＝2.441×10－4 以上是AD9852的理論控制精度，實(shí)測(cè)顯示，信號(hào)經(jīng)過功率放大后頻率精度和相位精度仍可以接近理論值。幅值精度下降較大，但是仍然可以滿足超聲波電機(jī)的控制要求。 　　 7 仿真與測(cè)試結(jié)果： 　　 為驗(yàn)證超聲波電機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案的可行性，實(shí)際工作中對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了仿真和測(cè)試。圖7是使用Pspice軟件對(duì)低通濾波電路和功率放大電路進(jìn)行仿真的結(jié)果。從圖中可以看到，在輸入信號(hào)頻率為38.8KHz時(shí)電機(jī)發(fā)生串聯(lián)諧振，阻抗最小，驅(qū)動(dòng)器輸出電阻上壓降變大，因而輸出電壓下降。但功率運(yùn)放PA45驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，輸出電阻小，因此該壓降只有1V，相對(duì)誤差小于0.6 %,不會(huì)對(duì)超聲波電機(jī)的調(diào)幅調(diào)速產(chǎn)生影響。 　　 仿真時(shí)，使用了下面的超聲波電機(jī)等效電路： 8 結(jié) 論： 　　 基于DDS技術(shù)的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一種可編程控制的新型驅(qū)動(dòng)器，不僅具有調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅能力而且具有控制精度高，輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)正弦波的特點(diǎn)。其具有的調(diào)幅能力和輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)的特點(diǎn)是一般PWM驅(qū)動(dòng)器所不具備的。 　　 [B]參 考 文 獻(xiàn)[/ B] 　　[1]: 王季秩，曲家騏’執(zhí)行電動(dòng)機(jī)’機(jī)械工業(yè)出版社，1997。 　　[2]: 上羽貞行，富川義朗著，楊志剛，鄭學(xué)倫譯’超聲波馬達(dá)理論與應(yīng)用’1997 　　[3]: Güngör Bal ’A Digitally Controlled Drive System for Travelling-wave Ultrasonic Motor’ Turk J Elec Engin, VOL.11, NO.3 2003. 　　[4]: Directed by Prof.Hu Minqiang ’Ultrasonic Motors Research 　　Group in SEU’Electrical Engineering 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