呂存璞，葉 明，姚志遠

（南京航空航天大學機械結構強度與振動國家重點實驗室，江蘇 南京 210016）

超聲電機是一種新型微特電機，其工作原理是通過壓電材料的逆壓電效應，使定子在超聲頻段微幅振動，依靠摩擦將振動轉(zhuǎn)換成動子的旋轉(zhuǎn)（直線）運動。超聲電機具有體積小，重量輕、結構緊湊、響應快、無電磁干擾等優(yōu)點，在航天宇航和軍事裝備等領域有著廣泛的應用前景[1]。

近些年來，我國在超聲電機控制方面，提出了一些控制理論，并搭建了一些用于超聲電機驅(qū)動的實際驅(qū)動與控制電路。2010年，薛雯玉碩士研究了基于DSP芯片的超聲電機驅(qū)動控制器，但驅(qū)動電路仍以傳統(tǒng)的模擬電路為主，精度不高，不能實時的調(diào)頻、調(diào)相。2011年，孫霖碩士研究了基于DSP/FPGA的超聲電機驅(qū)動控制器，利用DDS技術產(chǎn)生數(shù)字正弦波，雖然提高了精確度和實時性，但是浪費了很多芯片的邏輯資源，也不利于驅(qū)動控制電路的小型化。

本文使用Altera公司的EP3C40Q240C8芯片設計了一種以FPGA為核心、基于SOPC技術和NiosⅡ軟核處理器的新型超聲電機驅(qū)動控制器。在FPGA內(nèi)部用SOPC（可編程片上系統(tǒng)）的思想定制了一個NiosⅡ軟核處理器作為控制運算部分，用Verilog語言編寫出了頻率、相位、幅度都可調(diào)的DDS模塊和光柵反饋計數(shù)模塊，這樣的一個閉環(huán)系統(tǒng)在滿足控制精度和實時性的同時具有良好的靈活性和可重構性，并且做到了以極少的硬件資源和高度集成的系統(tǒng)結構去控制超聲電機運行，便于驅(qū)動控制電路的小型化。

1 驅(qū)動控制器的設計

1.1 驅(qū)動控制電路

本文提出的超聲電機驅(qū)動控制系統(tǒng)由控制驅(qū)動器和功放/升壓電路組成。圖1是以FPGA為核心構建的超聲電機驅(qū)動控制電路。超聲電機的驅(qū)動機理要求驅(qū)動器必須提供在超聲頻段內(nèi)兩相具有一定相位差的同頻、等幅正弦交流電，電壓在幾十伏到幾百伏之間。該電路的功能全部由FPGA的軟件實現(xiàn)，控制和輸出正弦交流電，大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，并使控制系統(tǒng)電路板的面積大幅度縮小，一塊控制板可以同時控制數(shù)個超聲電機。

圖1 超聲電機驅(qū)動控制電路框圖Fig.1 Drive control circuit of ultrasonic motor

此驅(qū)動控制系統(tǒng)用FPGA內(nèi)部編寫的DDS模塊輸出兩路具有一定相位差的正弦波數(shù)據(jù)，然后通過DA芯片轉(zhuǎn)成正弦波信號，經(jīng)過功率放大之后，最后用變壓器抬高電壓。

該電路加載超聲電機后輸出的波形如圖2所示，波形變的光滑很多。當超聲電機在運行過程中發(fā)生頻率漂移的情況時，系統(tǒng)也能夠從速度的改變量來調(diào)整相應的驅(qū)動輸出，不會出現(xiàn)電機速度不穩(wěn)定的現(xiàn)象[2]。

圖2 加載電機后的輸出波形Fig.2 Output waveform after loading the motor

1.2 FPGA內(nèi)部系統(tǒng)

圖3是超聲電機控制驅(qū)動電路中FPGA內(nèi)部的構架。其設計的核心是可裁剪的Nios II軟核和發(fā)出正弦信號的DDS模塊以及讀取光柵編碼器反饋脈沖的計數(shù)模塊。

圖3 FPGA內(nèi)部系統(tǒng)設計Fig.3 Internal system design of FPGA

1.2.1 Nios II系統(tǒng)的搭建

Nios II是Altera公司開發(fā)的軟核32位的RISC微處器，作為一個采用硬件描述語言編寫的軟核，Nios II可以通過內(nèi)帶的Avalon總線機制與其他采用HDL語言描述的硬件接口模塊組成 Nios系統(tǒng)一起嵌入到 Altera的 Stratix、Cyclone或APEX系列的FPGA中，從而構成一個可編程片上系統(tǒng)設計[3]。

首先要構建一個基于Nios II的最小系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的組件都在SOPC Builder提供的IP核中，依次選擇Nios II處理器、EPCS控制器、SDRAM控制器、JTAG模塊。其中，Nios II實現(xiàn)MCU的功能，SDRAM和EPCS控制器組件用來連接外部存儲器，JTAG模塊實現(xiàn)程序的調(diào)試與下載。除此以外，我們還需要用到串口接收上位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)以及定時器中斷，因此在系統(tǒng)中添加UART模塊和定時器模塊。最后，處理器要控制DDS模塊的運行并且接收光柵計數(shù)模塊計算出的脈沖數(shù)，還需要添加一些I/O口用作數(shù)據(jù)的傳輸。這樣，F(xiàn)PGA內(nèi)部的一個NIOS系統(tǒng)就構建完成了[4]。

1.2.2 DDS模塊

直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Frequency Synthesizer）是一種基于全數(shù)字技術，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術?；驹硎且詳?shù)控振蕩器的方式，產(chǎn)生頻率、相位可控制的正弦波、余弦波、三角波、三角波、方波等波形[5]。圖4所示為DDS的基本結構。

圖4 DDS的基本結構Fig.4 Basic structure of DDS

圖4中，fc為時鐘頻率，K為頻率控制字，N為相位累加器的字長，D為ROM數(shù)據(jù)線寬度。

輸出頻率fo由fc和K共同決定，即

從而，DDS的最小分辨率Δ fmin可達

本文的DDS設計主要分為3個模塊：控制字接收模塊，用來與NIOS系統(tǒng)進行通信，接收來自上位機的控制字；波形存儲器模塊，用來產(chǎn)生驅(qū)動信號所需要的波形，本文只需要產(chǎn)生正弦波；相位累加器模塊，用來產(chǎn)生頻率和相位，本文是將接收到的頻率和相位控制字轉(zhuǎn)化為實際的頻率和相位。

1.2.3 脈沖計數(shù)模塊

脈沖計數(shù)模塊由濾波和計數(shù)兩部分構成，主要是為了讀取光柵編碼器反饋回來的信息，從而實現(xiàn)對電機的精確定位和速度控制。本文使用的光柵編碼器，其分辨率為0.5um/count，輸出A+/A-、B+/B-2路差分信號，為將編碼器的差分輸出轉(zhuǎn)換成單端脈沖信號，本文選用了26LS32AC差分轉(zhuǎn)單端芯片實現(xiàn)差分信號的轉(zhuǎn)換[6]。轉(zhuǎn)換后的兩路信號A、B是一組正交脈沖信號，電機朝不同方向運動時，A、B兩路信號之間的相位關系會發(fā)生轉(zhuǎn)換，從而判斷電機運行的方向。因此，根據(jù)這一特性，在FPGA中，用Verilog語言編寫了一個實現(xiàn)正交編碼脈沖電路的功能的計數(shù)模塊。

同時，為了進一步消除光柵反饋信號可能產(chǎn)生的窄脈沖干擾信號，本控制器將轉(zhuǎn)換后的單端信號進一步濾波。主要過程是：在采集某一狀態(tài)信號時，利用比該狀態(tài)信號更高頻率的采樣時鐘對其進行多次重復采集，直到多次采集結果完全一致時才視為有效信號輸出。然后再將濾波過后的信號發(fā)送給正交編碼脈沖電路進行辨向和計數(shù)。

1.3 驅(qū)動控制器的控制方式

電機工作時，F(xiàn)PGA通過串口接收來自上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)至Nios II處理器中，經(jīng)過程序處理之后，得出電機運行的方式（步進、連續(xù)）、運行的距離等信息，Nios II處理器通過控制DDS模塊的起停時間來控制驅(qū)動信號的有無進而控制電機的運動過程。電機運行時的位移和速度的實際信息可以從光柵編碼器的反饋信號中得出，計數(shù)器模塊計算出脈沖數(shù)的值發(fā)送給Nios II處理器，處理器通過具體的控制算法改變DDS輸出信號的幅值、頻率、相位從而對電機的運行狀態(tài)做出進一步的調(diào)整[7]。這樣，一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)就由一塊FPGA芯片實現(xiàn)了。

2 實驗分析

2.1 超聲電機速度穩(wěn)定性研究

由于超聲電機在一定的頻率范圍內(nèi)，它的速度隨著頻率的增大而減小，因此我們可以通過控制正弦信號的頻率來保證超聲電機速度的穩(wěn)定性[8]。

本實驗使用的直線超聲電機在33.8 kHz附近運行的比較穩(wěn)定，所以選用33.8 kHz作為直線超聲電機的實驗頻率。首先研究直線超聲電機在不加入任何的控制算法時，它的速度穩(wěn)定性，實驗結果如圖5所示。

圖5 電機速度曲線Fig.5 Speed curve of the motor

由上圖可以看出不加控制算法直接運行，超聲電機的速度不是很穩(wěn)定。如果在Nios II處理器中加入一些控制算法去控制電機運行時的頻率，速度的穩(wěn)定性會有顯著的改善。以增量式PID算法為例：

u（k）是頻率，e（k）是第 K次采樣時目標速度與當前速度的差值[9]。通過上面的公式算出頻率的改變量，發(fā)送新的頻率控制字給DDS模塊，改變驅(qū)動信號的頻率，從而達到控制電機運行速度的效果。圖6為加入PID算法后電機的速度曲線。

圖6 加入PID算法后電機的速度曲線Fig.6 Speed curve after adding PID algorithm

由此可見，引入控制算法的超聲電機驅(qū)動，電機的速度波動要遠遠的小于直線超聲電機在不引入算法時的波動。這很好的解決了直線超聲電機在運動過程中的速度穩(wěn)定性問題。

2.2 定位精度測試

對一個單軸直線超聲電機運動平臺進行精確定位實驗。此精密運動平臺在脈沖寬度為3.5 μs時有著比較穩(wěn)定的輸出特性，步進距離大約在100 nm左右。使用“連續(xù)+步進”的方式進行精度測試，連續(xù)運動至預定目標處，然后利用微小步進進行調(diào)整。英國REN-ISHAW公司的XL-80激光干涉儀系統(tǒng)作為本次實驗的測定系統(tǒng)，將激光干涉儀顯示數(shù)據(jù)與定位距離進行比較[10]。實驗表明，此超聲電機直線運動平臺的定位精度可以達到1 μm。

圖7 平臺的測試系統(tǒng)Fig.7 Test system for the platform

表1 電機在定位距離1 000 μm下的實際運行距離Tab.1 Actual operation of the motor under the positioning clistance of 1 000 μm

3 結 論

文中利用SOPC技術，將波形發(fā)生模塊和微處理器模塊以及脈沖計數(shù)模塊巧妙地集成到一片F(xiàn)PGA內(nèi)部，利用可編程邏輯的靈活性和Nios II的強大處理能力，實現(xiàn)了超聲電機驅(qū)動控制電路的設計。采用SOPC方案進行系統(tǒng)設計，充分利用FPGA的可編程性，整個開發(fā)過程變得靈活方便，在不改變?nèi)魏瓮鈬娐返那闆r下可以對系統(tǒng)進行軟硬件升級，延長系統(tǒng)的壽命周期，同時大大提升了系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)的集成度，降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本，這正是相對于其他方案的優(yōu)勢，也符合當今科技的發(fā)展方向。

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