基于DDS技術(shù)的超聲波電機(jī)（USM）性能測試

　　O 引言

　　超聲波電機(jī)(USM)具有能夠直接輸出低轉(zhuǎn)速大力矩，瞬態(tài)響應(yīng)快(可達(dá)ms量級)、定位精度高(可達(dá)nm量級)，無電磁干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)。USM的運(yùn)行需要有兩路具有一定幅值，相位上正交(或可調(diào))，頻率在20 kHz以上的高頻交流電源。驅(qū)動信號源的幅值、頻率及相位直接影響USM的性能。為便于USM的性能測試及研究，需要提供一種在幅值、頻率、相位上均可調(diào)的測試電源。以往的超聲波驅(qū)動器多采用分立器件構(gòu)成如文獻(xiàn)，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。文獻(xiàn)雖然改用FPGA或CPLD生成，但所生成的信號頻率變化是不連續(xù)的。文獻(xiàn)是用單片機(jī)和專用的DDS芯片，存在抗干擾性差，可靠性低的弊端。

　　本文介紹了基于DLL數(shù)字頻率直接合成技術(shù)(DDS)用ALTERA公司的FPGA器件和VHDL語言編程，按相位累加的方法產(chǎn)生兩相四路頻率相位可調(diào)的高頻PWM信號，經(jīng)過驅(qū)動電路、光耦隔離電路作為外部功率控制電路H橋的四個閘門驅(qū)動信號，H橋主回路接入的是對市電經(jīng)調(diào)壓、隔離、整流及濾波后的直流電。由閘門驅(qū)動信號對該直流電進(jìn)行通斷控制，形成可調(diào)幅值、頻率、相位差的兩相高頻PWM波的交流信號，再經(jīng)外加電感平滑，將PWM波信號變成類正弦波信號，實(shí)現(xiàn)對USM的性能測試。

　　1 功率控制電路

　　如圖1所示，加于USM的A、B兩相交流信號是由FPGA產(chǎn)生的四路脈沖信號控制MOS管開關(guān)對整流濾波后直流電進(jìn)行通斷控制，在圖1所示H橋逆變器的作用下，將直流電逆變?yōu)榕c逆變器開關(guān)頻率相同的矩形波交流電，經(jīng)串聯(lián)電感平滑，就得到了USM所需的兩相高頻類正弦波信號。該信號可由主回路的調(diào)壓器調(diào)節(jié)幅值，A、B兩相的相位差取決于H橋兩側(cè)閘門驅(qū)動信號的相位差，即閘門S1與S2(或S3與S4)驅(qū)動信號的相位差。同側(cè)橋臂不能同時導(dǎo)通，以避免大電流通過MOS開關(guān)管而損壞開關(guān)管，理論上同側(cè)的兩個控制信號應(yīng)該相位互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)推挽輸出，考慮到開關(guān)器件的延時特性，該信號開啟閘門時要有一定的延時，即死區(qū)時間。鑒于以上分析及USM性能測試的需求，閘門控制信號應(yīng)具有頻率、相位、死區(qū)時間均可調(diào)的占空比大于50%的PWM高頻波。

　　2 PWM調(diào)頻調(diào)相高頻信號的產(chǎn)生

　　參考文獻(xiàn)的DDS設(shè)計(jì)，將一個周期的矩形波幅值進(jìn)行2n等分后按順序存于一個表格中，用高頻時鐘fclk依次按表中地址順序讀取其數(shù)據(jù)(幅值)。利用相位累加器可以每隔M個地址，讀一個幅值信息。矩形波頻率正比于輸入時鐘頻率和相位增量M之積，即為基頻時鐘fclk/2n的M倍。通過調(diào)節(jié)步距M(頻率控制字)可調(diào)節(jié)信號的頻率。調(diào)節(jié)首次所讀ROM表的地址，可調(diào)節(jié)矩形波的相位，稱該調(diào)節(jié)參數(shù)為相位控制字。若ROM查找表中0，1各占一半則可得到頻率、相位連續(xù)可調(diào)的方波信號;改變表中1的比例，就會得到不同脈寬的矩形波。若能從外部調(diào)節(jié)1的比例，就生成了一路頻率、相位、占空比可調(diào)的PWM信號。由于表中只有兩種數(shù)O和1，且均連續(xù)出現(xiàn)，因而可用比較器替換ROM表，將原來的地址發(fā)生計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值劃分為2部分，一部分對輸出信號清零，另一部分對其置1。2種方案相比，后者大大節(jié)約了FPGA資源。RTL級原理圖如圖2所示。

　　程序設(shè)計(jì)中的FWORD[16..O]為原理描述中的頻率控制字M，連接于32位計(jì)數(shù)器F32[32..6]，其輸出信號FOUT的頻率按如下公式計(jì)算FFOUT=fclk/222·FWORD，頻率分辨率為Fmin=25fclk/222，最大輸出頻率為Fmax=Fmin FWORDmax。當(dāng)系統(tǒng)頻率fclk=50MHz時，F(xiàn)min=0.745 Hz，F(xiàn)max=97.648 kHz，即輸出頻率可在O.7～97.6 Hz之間調(diào)節(jié)。相位控制字為9位，輸出信號FOUT的相位可按如下公式計(jì)算：POUT=360°/2°×PWORD，最小分辨率為360°/2°=0.7°。DIEIN[8..O]為占空比(死區(qū))調(diào)節(jié)控制字輸入，占空比按計(jì)算公式：(29-DIEIN)/210x1 00%，最大占空比為50%，最小接近于O，占空比的調(diào)節(jié)以使圖一H橋同側(cè)的兩個MOS管剛好不同時導(dǎo)通為度(故占空比不能大于50%)，占空比太小會使整個系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率降低。

　　以單相調(diào)頻調(diào)相PWM信號設(shè)計(jì)作為底層元件，利用VHDL的結(jié)構(gòu)化描述方式(例化語句)，按相位要求將4個單相調(diào)頻調(diào)相信號DDS元件設(shè)置成不同相位來實(shí)現(xiàn)。相位字PWORD為9位，U0：PWORD=O，初始相位=0;U2：PWORD=“100000000”，初始相位為180°;U1元件的初始相位PWOR-D，U2元件的初始相位為PWORD+“00000000”，這就實(shí)現(xiàn)了UO和U1相位差為PWORD，U0和U2，U1和U2相位差各為180°，從而實(shí)現(xiàn)四路調(diào)頻調(diào)相PWM信號設(shè)計(jì)。

　　通過調(diào)節(jié)FWORD、PWORD及DIEIN來分別調(diào)節(jié)四路輸出信號的頻率、相位差、四路輸出信號的占空比。仿真結(jié)果如圖3所示。由仿真圖可知超前90°和滯后90°得到的四路相序正好相反，若用其驅(qū)動圖1的4個開關(guān)，得到兩相互差90°的信號，一個為A相超前于B相，另逐個為A相滯后于B向。用其驅(qū)動USM，在不改變電機(jī)連線的情況下，通過調(diào)節(jié)相位差PWORD，方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向控制。

　　3 實(shí)驗(yàn)測試

　　將上述四路控制信號下載于FPGA中，再經(jīng)過資料介紹的驅(qū)動隔離模塊后施加于圖1的功率控制電路，通過示波器測得USM的A、B兩相波形如圖4所示。將上述電路獲得的信號應(yīng)用于USM45超聲波電機(jī)的驅(qū)動中，該電機(jī)所要求的驅(qū)動信號頻率為45.8 kHz，相位差為90°，峰峰值可達(dá)300 V。將其頻率控制字設(shè)定為FWORD=x0F000，相位控制字為PWORD=x180(或x080)，死區(qū)時間DIEIN=x33～xFF之間調(diào)整，成功地驅(qū)動了USM 45電機(jī)。運(yùn)行10 min左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，通過將FWORD調(diào)小至xED00，即信號頻率為45.2 kHz時，電機(jī)速度又上升到開始時的值(65轉(zhuǎn)/mi n)。超聲波電機(jī)一般工作在定子導(dǎo)納2頻率特性的諧振和反諧振點(diǎn)之間。隨電機(jī)運(yùn)行溫度的升高，導(dǎo)致諧頻率和反諧振頻率約有1.4 kHz的變化。由于USM45電機(jī)功率小，額定功率只有2 W，且是空載測試，因而溫升較小，諧振頻率的變化也較小(只有大約0.6 kHz的變化)。

　　4 結(jié)語

　　由FPGA按照相位累加振蕩器的方法產(chǎn)生的四路調(diào)頻、調(diào)相PWM信號，具有較高頻率分辨率，在保持相位連續(xù)的前提下，能實(shí)現(xiàn)快速頻率切換。該信號不但在外部的逆變電路作用下，成功地對USM45電機(jī)進(jìn)行了驅(qū)動和測試，還可通過外加專用的L298N型驅(qū)動芯片方便地應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的驅(qū)動以及步進(jìn)電機(jī)的調(diào)頻調(diào)速和直流電機(jī)的PWM調(diào)速。