行波超声波电机直接数字驱动源的设计研究

1、收稿日期:2005205228作者简介:刘应红(1976- , 男, 硕士, 主要研究方向为高频数字电源超声电机的控制及其驱动。文章编号:100923664(2005 0520025205电源技术应用行波超声波电机直接数字驱动源的设计研究刘应红, 林仲文, 凌朝东(华侨大学信息学院, 福建泉州362011摘要:基于行波超声波电机驱动系统的工作原理, 采用CPLD 技术, 设计一个高频直接数字信号源, 试验结果表明该电源很好地满足行波超声波电机的工作要求。关键词:超声波电机; 直接数字信号源; 驱动/控制中图分类号:TN 86文献标识码:AThe Design R esearch of of T

2、 raveling L IU , L 2wen , L IN Chao 2dong , Quanzhou 362011,China Abstract :Based p rinciple driving system of t raveling ultrasonic motor , a high f re 2quency direct digital source is designed for CPLD technology. The experiment indicates t hat t he power supply meet s t he operation demands of ul

3、t rasonic motor very well. K ey w ords :ult rasonic Motor ;mirect digital source ;drive/cont rol0引言超声波电机(Ult rasonic Motor , 简称U SM 是二十世纪末期发展起来的一种新型微型电机。它突破了传统电机的概念, 没有电磁绕组和磁路, 不用电磁相互作用来转换能量, 而是利用压电陶瓷的逆压电效应、超声振动和摩擦耦合(接触型 来转换能量。与法拉第电磁式电机相比, 超声波电机有如下的几个突出优点:安静, 污染小; 定位精度高; 调焦时间短; 无齿轮减速机构, 可直接驱动负载, 结构简

4、单; 能量密度大; 低转速, 大转矩; 体积小, 重量轻; 不产生, 也不受电磁干扰, 不怕辐射; 起动, 停止响应快, 响应时间小于1ms 。由于超声波电机具有许多优于传统电磁电机的特点, 因此它在工业界获得了许多应用, 并显示出广泛的应用前景, 其应用面涉及到航空、航天、汽车制造、生物、医学、化工、轻工、精密仪器仪表等领域。从目前的研究情况看, 超声波电机也将广泛应用于机器人、微型机械的驱动器、航空航天领域的自动驾驶仪、航空电气系统用小型电机、控制用作驱动器、精密仪器仪表用驱动装置、定位装置、CD 唱头、磁盘驱动器、人造心脏驱动器、人工关节驱动器、以及强磁场环境条件下(电磁型电动机无法正常

5、工作 设备的驱动装置。由于U SM 是容性负载, 如何解决U SM 驱动中的高频电源问题, 成为从事U SM 研究中的一个关键问题。本文针对行波U SM 驱动系统的工作原理, 采用CPLD 技术, 以推挽式逆变主电路和MOSFET 管驱动电路, 设计一个直接数字信号源(DDS 。试验结果表明, 该电源可以很好地满足驱动系统中两路同频同幅、相差90°的要求。1驱动控制系统方案控制系统原理如图1所示, 其中单片机89C 51为控制系统的核心, 扩展两片存储器27256和两片D/A , 实现对超声波行波电机的驱动信号的频率和相位控制。整机除一组+5V 的电源供单片机, 其他的由一组

6、7;12V 供电。在单片机里设置两个频率段可调。要实现50k Hz 这种较高的频率的信号输出,5 22005年10月25日第22卷第5期通信电源技术Telecom Power TechnologiesOct. 25, 2005Vol. 22No. 5必须采用高速的单片机(如凌阳单片机系列 。图1控制系统原理方框图2DDS 信号发生器信号控制方案DDS 信号发生器技术具备独特性能:(1 超宽的相对带宽; (2 超高的频率分辨率; (3 高频谱纯度; (4 超高速频率捷变; (5 频率捷变的相位连续性; (6 可产生宽待正交信号; (7 任意波形输出能力; (8 可集成性; (9 数字调制性能。采

7、用DDS 均可预制调节的信号, 到100150V 的输出电压和15W 左右的输出功率。DDS 信号发生器原理框图如图2所示。图2DDS 原理框图图2中, f c 为时钟频率, K 为频率控制字, n 为相位累加字长,A 为ROM 地址线位数,D 为ROM 数据线以及D/A 转换器数据线位数。DDS 信号发生器工作时, 相位累加器在时钟f c 的作用下, 以步长K 做模2n 加法, 输出相位码去寻址ROM ,ROM 中通常固化有正弦函数表(一个周期 , 其输出就是相应的正弦函数幅度码, 该幅值码经D/A 转换后变成阶梯正弦波, 最后经低通滤波器平滑出连续变化的正弦波。DDS 信号发生器可以输出两

8、类波形, 一类是从相位累加器的最高位输出脉冲波形(方波 ; 另一类是从低通滤波器输出正弦波形。DDS 信号发生器中, 若相位累加器字长N 和时钟频率f c 一定, 则输出频率f o 只受频率控制字f c 的影响为:f o =2n K 当k =1,DDS 信号发生器输出最低频率(即频率分辨率 为f c /2n , 因此只要n 足够大,DDS 信号发生器可以得到很高的频率分辨率。DDS 信号发生器的最大输出频率由Nyquist 采样定理决定, 为: f o 2n 。采用两个这种信号发生器, 在其中的一路信号的相位累加器上设置初值, 就可以产生两路信号的相位差。所以, 采用该方案可产生两路频率相同,

9、 相位差可以预制的方波或者正弦波信号。3原理方框图本系统以89c 51CPLD 为数据处, 系统的。图3数字信号发生器原理框图由DDS 信号发生器输出的信号频率=一个周期的点数×分频数当定下来输入标准时钟和一个周期的点数以后, 要改变输出频率, 可以通过改变相位步进量或者改变分频数来实现。3. 1改变相位步进量的CP LD 顶层原理图改变相位步进量的CPLD 顶层原理图如图4示。图4各部分说明如下:(1 data _dsb 3:数据分配器, 用以将单片机总线data (8bit 上的数据分配给step (步进量16bit 、shift (相位差值16bit ,sw (2bit 分别指

10、向分配的目标数据,en _set 为设置使能、上升沿有效。(2 lp m _counter :分频器。(3 lp m _add _sub (下 :带时钟的相位累加器。(4 lp m _add _sub (上 :十六位加法器(不带时钟 。q 1,q 2分别送给外部的两块EPROM 。系统参数计算:当晶振为8. 192M Hz , sin 点数为65536, 分频数为5, 有f =665536×5=25N , 此处, N 为相位步进量(step , 可实现25Hz 步进的扫频输出。62通信电源技术第22卷图4信号发生器CPLD 由于做了5分频, (50k Hz n =50k n 表示在5

11、0k Hz 。这对于本系统所要产生的方波或者正弦波信号是可以符合要求的。而它的频率步进为25Hz , 也使我们在扫频寻找超声波电机的最佳频率点容易很多。而由f 的算式也可以看出, 如果要继续增加一个周期内的点数而不减少频率步进值, 就必须增加sin 表的点数, 也就是要增加两lp m _add _sub 里面的相位累加器步长和外部数据存储器的容量。这样就可以达到所需要的任意相对带宽。采用这个系统也会存在跳点这种缺点, 但是当我们把它的点数增加的时候累加步进值step 也变小了, 可以把跳点所带来的误差影响减少。采用CPLD 芯片为EPM 7128SL C 8426, 这个系统资源利用率为99%

12、, 得到的最高时钟频率. 38M Hz , 已经无法再扩张相位累加器步长 , 如果要继续扩张的话就必须更换更大容量的芯片或者采用FP GA 。3. 2改变分频数来实现输出信号当晶振为8. 192M Hz , 一个周期的点数为32, 这样就不会出现在改变相位步进量方案中产生跳点的情况, 但是要达到的频率为50k Hz 左右, 则分频数要达到164左右。在这个数值附近改变为163或者165, 这样频率就会有很大的改变, 分别为301Hz 和303Hz , 而且步进量是随着频率的改变而改变的, 无法固定, 所以我们采用了小数分频的措施。可知有理小数可表示为分数形式。这样, 原来单一计数器不能胜任的小

13、数分频工作就可以得到解决。图5为改变分频数来实现输出信号的CPLD 的顶层原理图。图5改变分频数来实现信号发生器CP LD 顶层原理72第5期电源技术应用刘应红等:行波超声波电机直接数字驱动源的设计研究图5中:data_dsb 为数据分配器,dot div 为可预制分频值的小数分频器,co unter 为带时钟的计数器,lam _add _sub 为不带时钟的累加器。我们采用的CPLD 芯片为EPM 7128SL C 8426, 得到的最高工作频率为22. 88M Hz , 资源利用率为77%。图5中out 3. . 0和out 13. . 0为信号输出端, 当要输出正弦波的时候可以接DA 的

14、输入端的高四位, 要输出方波的时候可以直接接out 13和out 1。我们采用的晶振为8. 192M Hz , 小数分频器中的N 为7位(即可以做到0. 01分频 。这样, 当我们要求输出频率为49600Hz 时, 分频数应该为10. 32, 当取10. 31和10. 33的时候为49612Hz 和49588Hz , 即频率步进为12Hz 。不过, 采用这个方案产生的信号一个周期只有16的点, 相位差步进量为22. 5°。4功率放大电路U pp 为100300V 。我放大器组成, 如图6所示, 其中输入信号为A 和A/,B 和B/(CON 1、CON 2输入, 方波信号 , 所有三极

15、管和MOSFET 管均工作在开关状态, 交替导通, 截止, 通过升压变压器变压后输出到T 11和T 21, 原边工作在+12V (可调 , 输出为120V 的信号(匝数比为110 。图6开关状态型功放电路5信号源与功放电路之间的抗干扰措施 本系统的DDS 信号发生器与功放电路分别采用+5V 和+12V 、-12V 电源, 采用光电耦合器将两部分电路进行电气上的完全隔离, 消除了它们之间的相互干扰。DDS 信号发生器产生的信号幅值较小, 需要A 和A/,B 和B/(J 1、J 2输入, 方波信号 , 我们采用运算放大器将其信号放大, 再将其通过反相器使其产生-180°的信号来驱动功放电

16、路。其中反相器采用CMOS 工艺的40106芯片, 让其工作在+12V 状态, 与功放电路采用同一个电源。6超声波电机实验及分析6. 1信号源试验数据分析采用sp 1643B 型函数信号发生器对做出的两个方案所得到的频率数据进行测试, 分别测得两组数据如表1和表2所示。表1改变累加步进值的DDS 信号发生器方案DDS 信号发生器方案/Hz4898949083492254936949464496074970349849通过上表可以看出, 改变分频数的方案所测得的数据比改变累加步进值所测得的数据准确, 但是采用Tekt ronix TDS 1012示波器进行频率跟踪测试的时候, 发现两种方案均会出

17、现频率跳变, 这是因为采用改变累加步进值方案的时候, 会出现跳点的情况, 而采用改变分频比的方案的时候, 虽然它不会出现在改变累加器步进值方案中出现的那种跳点的现象, 但是它采用的小数分频技术是在平均的意义上所得到的, 它的频率不是固定不变的方式, 所以也会出现频率跳变的情况。为了验证设计结果, 对制作的超声波电机进行性能测试, 主要对超声波电机在不同的电压、频率、相位下的速度、转矩、功率进行了测试。6. 2超声波电机转速和效率的关系曲线由图7可以知道超声波电机随着介电损耗的增大, 效率开始下降。本文所设计的超声波电机效率也比较低, 需要进一步改进。图7超声波电机不同频度下转矩和效率特性82通

18、信电源技术第22卷6. 3不同频率下超声波电机转速、转矩由图8可以看到, 在驱动频率为34. 5k Hz 时候超声波电机能同时获得最佳的转矩和转速。在同一频率下超声波电机的转矩随着转速的增加而减小, 这使得超声波电机在低速下不需要变速机构就可以实现低速大转矩的功能 。图8超声波电机不同频度下速度和转矩特性6. 4超声波电机相位、转速之间的关系度有一定的内在关系, 转速同相位差基本上按照正弦规律变化, 如图9。从图中可以看到速度为正转到速度为反转的过渡中变化比较的平稳 。图9相位2转速特性7实验结果实验中, 当超声波电机的速度在20r/min 和50r/min 交替变化的时候, 使用本文研制的超声波电机控制系统对旋转型行波超声波电机的控制效果如图10 。图10行波超声波电机调相控制效果从实验结果中可以看到, 本文设计的控制系统性能良好, 基本达到了控制的要求。参考文献:1史仪凯. 超声电动机的发展现状及应用前景J.机械科学与技术, 1998