岳惠峰，李有光，王新堯

(南京航空航天大學(xué)， 南京 210000)

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多路精密超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

岳惠峰，李有光，王新堯

(南京航空航天大學(xué)， 南京 210000)

超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源以直接數(shù)字頻率合成技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)FPGA輸出8路PWM信號(hào)，再經(jīng)隔離，2個(gè)全橋逆變電路和濾波電路，產(chǎn)生兩路可精密調(diào)節(jié)幅值、頻率和相位差的正弦驅(qū)動(dòng)電壓。電源驅(qū)動(dòng)頻率范圍19.8～50 kHz，頻率分辨率為0.186 Hz；相位差調(diào)節(jié)范圍0°～360°，相位分辨率最大為0.72°。該電源能為超聲波電動(dòng)機(jī)的控制提供保證。

超聲波電動(dòng)機(jī)電源；直接數(shù)字頻率合成技術(shù)；調(diào)頻；調(diào)相

0 引 言

超聲波電動(dòng)機(jī)是利用超聲波振動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)的新原理電機(jī)。自20世紀(jì)末以來(lái)，超聲波電動(dòng)機(jī)得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用，在照相機(jī)、汽車(chē)、醫(yī)療設(shè)備、航空航天、機(jī)器人、微型機(jī)械等領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始使用超聲波電動(dòng)機(jī)。超聲波電動(dòng)機(jī)作為一種新的驅(qū)動(dòng)器，具有很多優(yōu)良的性能，如低速下具有大轉(zhuǎn)矩、無(wú)需減速裝置直接驅(qū)動(dòng)、動(dòng)作響應(yīng)快、運(yùn)行無(wú)噪聲、掉電自鎖、無(wú)電磁干擾等[2-3]。驅(qū)動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)需要專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)電源，要求電源輸出電壓的調(diào)頻范圍在超聲范圍之內(nèi)，且輸出的電壓能調(diào)頻、調(diào)相與調(diào)幅。

近幾年國(guó)內(nèi)對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的研究在快速發(fā)展。浙江大學(xué)的傅平等研制出以 DSP輸出方波逆變方式工作的驅(qū)動(dòng)電源，可以獲得驅(qū)動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)所需的兩相幅值、頻率、相位可調(diào)的交變信號(hào)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳維山研制了一種基于DSP 的行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)在諧振頻率點(diǎn)附近的頻率自動(dòng)跟蹤、轉(zhuǎn)速反饋控制等功能。上述超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源控制方法各有特點(diǎn)[4]，電源輸出的電壓有調(diào)頻、 調(diào)幅、調(diào)相的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的速度和位置的控制。但上述驅(qū)動(dòng)電源輸出功率較小，輸出電壓可調(diào)范圍小，調(diào)節(jié)精度不高，不能滿(mǎn)足超聲波電動(dòng)機(jī)精確控制的要求。

為了解決上述電源中存在的精度低、調(diào)節(jié)范圍小等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的精密超聲驅(qū)動(dòng)電源的信號(hào)源以DDS (Direct Digital Synthesize)[5-8]技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)FPGA輸出8路PWM波信號(hào)，輸出8路PWM波信號(hào)的調(diào)頻、調(diào)相精度高，調(diào)節(jié)范圍廣。同時(shí)驅(qū)動(dòng)電源的功放電路采用全橋移相控制方式，這種控制方式的優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓控制時(shí)，避免了傳統(tǒng)脈寬調(diào)制方式帶來(lái)的當(dāng)脈寬過(guò)窄時(shí)脈沖信號(hào)丟失的問(wèn)題。

1 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的依據(jù)

超聲波電動(dòng)機(jī)工作頻率很高，一般超聲波電動(dòng)機(jī)的工作頻率在19.8～50 kHz，但是對(duì)于單個(gè)超聲波電動(dòng)機(jī)而言，其工作頻率范圍很窄，為保證電機(jī)能正常工作，要求電源輸出電壓的調(diào)頻精度高，以滿(mǎn)足電機(jī)驅(qū)動(dòng)的需求。下面以自制的超聲波電動(dòng)機(jī)為例說(shuō)明，自制的超聲波電動(dòng)機(jī)是一個(gè)縱彎復(fù)合型大功率旋轉(zhuǎn)超聲波電動(dòng)機(jī)，由行波驅(qū)動(dòng)，有4個(gè)振子。

圖1 超聲波電動(dòng)機(jī)導(dǎo)納圓的理想圖

用阻抗分析儀(4294A)來(lái)測(cè)量自制電機(jī)振子的阻抗特性，其中測(cè)量電壓為1V，頻率掃描范圍為21.5～26kHz，取樣點(diǎn)數(shù)為801個(gè)。測(cè)量出這801個(gè)點(diǎn)阻抗值，然后利用軟件Origin畫(huà)出振子縱振和彎振的導(dǎo)納圓圖，其中橫坐標(biāo)為電導(dǎo)g，縱坐標(biāo)為電納b。振子縱振的導(dǎo)納圓實(shí)際圖如圖2所示，振子彎振的導(dǎo)納圓實(shí)際圖如圖3所示。

圖2 振子縱振導(dǎo)納圓

圖3 振子彎振導(dǎo)納圓

從圖2和圖3中可以得到超聲波電動(dòng)機(jī)的幾個(gè)重要的頻率點(diǎn)：fi1為上半功率點(diǎn)的頻率，fi2為下半功率點(diǎn)的頻率，fs為串聯(lián)諧振頻率點(diǎn)的頻率。通過(guò)Origin軟件可得到從導(dǎo)納圓中各頻率點(diǎn)的信息，如表1所示。

表1 振子的縱振和彎振各頻率點(diǎn)的信息

超聲波電動(dòng)機(jī)振子是一個(gè)容性負(fù)載，電機(jī)加預(yù)緊力時(shí)，振子的阻抗特性會(huì)隨著預(yù)緊力的增加而發(fā)生變化，因此電機(jī)的諧振頻率也會(huì)發(fā)生變化，后面將繼續(xù)研究這方面的問(wèn)題，這里暫不作考慮。

超聲波電動(dòng)機(jī)工作在兩個(gè)半功率點(diǎn)連線的右側(cè)半圓上的頻率點(diǎn)上時(shí)，串聯(lián)支路的有功功率大于無(wú)功功率，該支路的工作效率η≥50%。通常超聲波電動(dòng)機(jī)工作頻率稍大于串聯(lián)諧振頻率，所以從串聯(lián)諧振頻率到下半功率點(diǎn)的這1/4圓弧是比較理想的工作區(qū)域。

由表1可知，超聲波電動(dòng)機(jī)振子縱彎的下半功率點(diǎn)與串聯(lián)諧振頻率點(diǎn)的頻率差為32Hz，彎振的下半功率點(diǎn)與串聯(lián)諧振頻率點(diǎn)的頻率差為29Hz，自制超聲波電動(dòng)機(jī)工作頻率范圍很窄。為了保證電機(jī)正常工作，要求電源輸出電壓具有較高的調(diào)頻精度。

2 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)

2.1 電源的總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的精密超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

通過(guò)獲取來(lái)自PC機(jī)的不同類(lèi)型的控制字，F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)板輸出4對(duì)8路可以調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間的PWM波信號(hào)。這4對(duì)PWM波信號(hào)經(jīng)光耦隔離、全橋逆變電路、變壓器的電壓變換與隔離，以及匹配電路濾波，得到2路可調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相的正弦驅(qū)動(dòng)電壓以驅(qū)動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)[10]。

2.2 信號(hào)源

由于電機(jī)的工作頻率范圍很窄，為準(zhǔn)確找到電機(jī)正常工作頻率，需要電源輸出電壓的調(diào)頻精度高。信號(hào)源采用基于CycloneIV芯片EP4CE6E22C8的開(kāi)發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，該開(kāi)發(fā)板采用50MHz的晶振。本文設(shè)計(jì)的累加寄存器為28位， 4個(gè)控制字(頻率控制字，相位控制字(兩個(gè))，死區(qū)時(shí)間控制字)均為 24位數(shù)。

PWM波的生成原理主要通過(guò)設(shè)置4個(gè)N位累加寄存器C1，C2，C3，C4，累加寄存器的初始值均為0。在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖下，累加寄存器累加一次，即累加寄存器的值加K (頻率控制字)，當(dāng)累加器的值達(dá)2 N到時(shí)，累加器置零，完成一個(gè)周期，然后繼續(xù)累加。調(diào)節(jié)頻率控制字K，即可改變累加寄存器的累加次數(shù)，輸出波形的頻率f也改變。其PWM波生成的算法如圖5所示。

由于設(shè)置了4個(gè)累加寄存器，每個(gè)寄存器的初始計(jì)數(shù)時(shí)間是可以調(diào)整的。以第一個(gè)累加寄存器C1的初始計(jì)數(shù)時(shí)間為基準(zhǔn)，通過(guò)改變其它3個(gè)累加寄存器的初始計(jì)數(shù)時(shí)間，可改變輸出4對(duì)PWM波的相位角。當(dāng)累加寄存器C1達(dá)到K×H1時(shí)，累加存器C3開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)C1計(jì)數(shù)到K×H2時(shí)，計(jì)數(shù)器C2開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)C3計(jì)數(shù)到K×H2時(shí)，C4開(kāi)始計(jì)數(shù)。移相控制字H1控制最后輸出兩路正弦波的相位差，而移相控制字H2(間接改變輸出波形的占空比) 控制最后輸出兩路正弦波的幅值。

圖5 PWM波生成的算法

在累加寄存器累加過(guò)程中，累加寄存器值的范圍為0～2N，以累加寄存器C1為例，將累加寄存器的值與2N-1進(jìn)行比較。當(dāng)C1<2N-1，pwm1輸出高電平，pwm2輸出低電平；當(dāng)2N-1

PWM波輸出信號(hào)的頻率f和頻率分辨率：

(1)

(2)

式中：f 為輸出頻率；K為頻率控制字；N 為累加器的位數(shù)；fclk為時(shí)鐘脈沖的頻率。PWM波輸出信號(hào)的相位差和相位分辨率：

(3)

(4)

式中：f為輸出頻率；H(H1，H2)為相位控制字；K為頻率控制字；N為累加器的位數(shù)；fclk為時(shí)鐘脈沖的頻率。

PWM波輸出信號(hào)的死區(qū)時(shí)間：

(5)

式中：t為死區(qū)時(shí)間；T為死區(qū)時(shí)間控制字；fclk為時(shí)鐘脈沖的頻率。

由于頻率控制字為24位數(shù)，累加寄存器為28位數(shù)，由式(1)、式(2)可知，信號(hào)源輸出PWM波頻率的最大值為3.125 MHz，頻率分辨率為0.186 Hz。超聲波電動(dòng)機(jī)的工作頻率一般在19.8～100 kHz，所以頻率的調(diào)節(jié)范圍控制在19.8～100 kHz范圍內(nèi)。根據(jù)式(3)可知，PWM波的調(diào)相范圍很大，只要求相位調(diào)節(jié)范圍在0°～360°之內(nèi)即可。由式(3)、式(4)可知，PWM波的相位差和相位分辨率與頻率(頻率控制字)有關(guān)。本文用自制超聲電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)阻抗分析可知，振子彎振的串聯(lián)諧振頻率約為23.107 kHz，當(dāng)f=23.108 kHz時(shí)，由式(4)可以算出輸出PWM波信號(hào)的相位分辨率為0.17°。由式(5)可知，PWM波信號(hào)的初始死區(qū)時(shí)間為0.2 μs，死區(qū)時(shí)間分辨率為20 ns。

2.3 功放電路的設(shè)計(jì)

由于自制的超聲波電動(dòng)機(jī)功率比較大，驅(qū)動(dòng)電源的功放電路采用2個(gè)全橋逆變電路，即A全橋與B全橋，功放電路如圖6所示。從FPGA輸出的8路PWM波信號(hào)pwm1～pwm8經(jīng)過(guò)光耦隔離，由IR2110驅(qū)動(dòng)后輸出8路PWM波信號(hào)pwmA1～pwmB4。pwmA1～ pwmB4分別控制8個(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管Q1～Q8。

圖6 電源的功放電路

圖6的電路采用全橋移相控制方法：所有MOSFET開(kāi)關(guān)管的PWM控制信號(hào)占空比為50%，上、下橋臂開(kāi)關(guān)器件的PWM信號(hào)互補(bǔ)。以A橋?yàn)槔?，通過(guò)調(diào)節(jié)MOSFET開(kāi)關(guān)管Q1與Q4(或Q2與Q3)導(dǎo)通時(shí)間，即調(diào)節(jié)信號(hào)pwmA1與pwmA4(或pwmA2與pwmA3)的相位差α(調(diào)節(jié)移相控制字H2來(lái)實(shí)現(xiàn))，即可改變A橋輸出電壓脈沖的占空比，即變壓器T1原邊電壓脈沖的占空比輸出電壓的幅值會(huì)改變，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)改變。移相控制信號(hào)的示意圖如圖7所示[11]。

圖7 移相控制信號(hào)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以DDS技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的PWM信號(hào)發(fā)生器經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到需要的波形。在實(shí)驗(yàn)中，PC機(jī)與FPGA之間通過(guò)串口通信完成數(shù)據(jù)的傳輸。在PC機(jī)上利用串口調(diào)試助手，向FPGA寫(xiě)入32位數(shù)的控制字(分四次傳輸，一次傳輸8位數(shù)據(jù))，通過(guò)輸入不同的控制字，實(shí)現(xiàn)輸出波形頻率、相位和死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)。

當(dāng)K=24’h01E49C，H1=24’h0000CB，H2=24’h00012A，T=24’h000049(注：控制字為十六進(jìn)制表示方式)；當(dāng)頻率控制字K=24’h01E49C，通過(guò)式(4)可知，f=23.108kHz，此頻率為自制電機(jī)振子彎振的串聯(lián)諧振頻率。實(shí)測(cè)的PWM波形頻率23.1081kHz。輸出的PWM波實(shí)測(cè)波形如圖8所示。計(jì)算頻率f=23.1080kHz，實(shí)測(cè)頻率f=23.1081kHz，實(shí)際數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)存在一點(diǎn)偏差，但在誤差允許的范圍內(nèi)，基本滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)的需求。

(a) pwm1～pwm4實(shí)測(cè)波形

(b) pwm5～pwm8實(shí)測(cè)波形

(c) pwm1，pwm3，pwm5，pwm7實(shí)測(cè)波形

圖8PWM實(shí)測(cè)波形

4 結(jié) 語(yǔ)

驅(qū)動(dòng)電源的性能直接決定超聲波電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)輸出參數(shù)的質(zhì)量。該新型驅(qū)動(dòng)電源以DDS技術(shù)為基礎(chǔ)，利用FPGA技術(shù)與全橋移相控制技術(shù)，使電源輸出信號(hào)的頻率分辨率為0.186Hz，相位分辨率最大為0.72°。調(diào)頻精度、調(diào)相精度得到提高，同時(shí)輸出信號(hào)的穩(wěn)定性較好，頻率和相位差的調(diào)節(jié)范圍大，滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)和控制電機(jī)的要求?，F(xiàn)階段已完成信號(hào)發(fā)生器的研制與測(cè)試，功放電路的設(shè)計(jì)，振子研制與測(cè)試等，但電機(jī)整體還未組裝，所以有些實(shí)驗(yàn)還未完成，如電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩的測(cè)量。后期任務(wù)是完成電機(jī)的組裝，然后進(jìn)行電機(jī)性能的測(cè)試，以驗(yàn)證該電源的性能，完成電源的改進(jìn)工作。

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Research on Driving Power of Ultrasonic Motors

YUE Hui-feng,LI You-guang,WANG Xin-yao

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210000,China)

The purpose of this article is to design a driving power for the self-made ultrasonic motor. The power was based on the direct digital frequency synthesis technology. 8-way PWM signals were put out from the FPGA and flow through the isolation, the 2 full-bridge inverter circuit and the filter circuit. After that, the PWM signals were converted into frequency control, phase shifted control and dead-time control of the two-phase sinusoidal driving voltage. The frequency range of power is 19.8～50 kHz, and the frequency resolution is 0.186 Hz; the phase range is 0°～360°, and the maximum resolution of phase is 0.72°. The power can provide a guarantee of control for the ultrasonic motor.

driving power; DDS; frequency control; phase shifted control

何洪軍，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)器人整機(jī)及系統(tǒng)集成、感知系統(tǒng)和算法等。

2015-08-14

TM359.9

A

1004-7018(2016)03-0038-03