摘? 要: 介紹了一種高性能的超聲電機(jī)" title="超聲電機(jī)">超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路。該電路使用直接數(shù)字頻率合成器(DDS)作為信號(hào)源,通過(guò)高壓運(yùn)放" title="運(yùn)放">運(yùn)放將信號(hào)放大到峰-峰值為250V,用于驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī);借助溫度傳感器采集電機(jī)溫度變化,利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控超聲電機(jī)的運(yùn)行。

　　關(guān)鍵詞: 超聲電機(jī)? 直接數(shù)字頻率合成器(DDS)? 溫度傳感器? 高壓運(yùn)放

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　　超聲電機(jī)是一種基于壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)的新型電機(jī)。與一般電磁電機(jī)相比,超聲電機(jī)能直接輸出低轉(zhuǎn)速大力矩,且瞬態(tài)響應(yīng)快(可達(dá)ms量級(jí))、定位精度高(可達(dá)nm量級(jí)),非常適合取代傳統(tǒng)的伺服電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)。目前超聲電機(jī)已廣泛應(yīng)用于照相機(jī)及攝像機(jī)的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng),而且在精密儀器以及航空航天領(lǐng)域也有許多應(yīng)用。

　　盡管超聲電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn),但由于超聲電機(jī)對(duì)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)有著較高的要求,所以目前國(guó)內(nèi)外開發(fā)的超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及控制電路普遍存在電路體積大、控制性能單一等問(wèn)題。大多數(shù)超聲電機(jī)的控制特性研究還是基于與超聲電機(jī)配套的普通驅(qū)動(dòng)電路,難以利用計(jì)算機(jī)方便地進(jìn)行超聲電機(jī)的控制特性研究。

　　針對(duì)上述問(wèn)題,應(yīng)用目前市面上流行的DDS芯片AD9850和高壓運(yùn)放PA08開發(fā)出了一種高性能的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)" title="電機(jī)驅(qū)動(dòng)">電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路。該電路可以通過(guò)串行接口用計(jì)算機(jī)實(shí)施控制和參量采集,并且信號(hào)的頻率及相位控制精度" title="控制精度">控制精度高;可以在溫度傳感器的控制下實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率的自動(dòng)調(diào)節(jié),同時(shí)電路中還預(yù)留了4路模擬、數(shù)字通用傳感器接口。

1 超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路的工作原理

　　由超聲電機(jī)的工作機(jī)理^[1]可知,大部分超聲電機(jī)的運(yùn)行需要相關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制電路提供兩路頻率相同、相位差為90度(或可調(diào))、頻率為20kHz～100kHz、輸出信號(hào)峰-峰值為100～350V、功率為0.1～10W的交變信號(hào)。此外,由于超聲電機(jī)的最佳工作頻率是由系統(tǒng)的機(jī)械共振頻率決定的,而以壓電元件為主的振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率會(huì)隨著外界參數(shù)(如溫度、預(yù)壓力等)的改變發(fā)生變化,因此一款好的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路必須能夠很好地對(duì)系統(tǒng)共振頻率的變化實(shí)施跟蹤,從而確保電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 電路的基本構(gòu)成和原理

　　超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路主要由以下5個(gè)部分組成:DDS信號(hào)發(fā)生單元、信號(hào)隔離單元、信號(hào)功率放大單元、溫度傳感器單元、單片機(jī)主控和接口控制單元(參見圖1)。

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　　DDS信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生兩路獨(dú)立的正弦信號(hào),兩路信號(hào)間的相位差可以在0～360度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié);兩路信號(hào)分別經(jīng)RC低通濾波和三極管射極跟隨送至高速光耦" title="光耦">光耦,然后經(jīng)由高壓運(yùn)放放大至250V,用于驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī);超聲電機(jī)工作一段時(shí)間后溫度會(huì)發(fā)生變化,該溫度由溫度傳感器采集送至主控單片機(jī)處理;單片機(jī)將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)串行口傳到PC機(jī),由PC機(jī)根據(jù)控制模型將修正后的驅(qū)動(dòng)頻率控制字傳回單片機(jī),或者由單片機(jī)根據(jù)片內(nèi)預(yù)存的溫度-頻率表修正DDS的信號(hào)發(fā)生頻率。

　　考慮到未來(lái)擴(kuò)展的需要,系統(tǒng)預(yù)留出4路A/D及通用I/O復(fù)用端口,用來(lái)和測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的光電編碼器、應(yīng)變片力矩傳感器等接口。

　　以下分別就各單元的組成和功能作簡(jiǎn)要介紹。

2.1 單片機(jī)主控單元

　　主控單片機(jī)采用PIC16F73A型單片機(jī)(參見圖2)。該款單片機(jī)在20MHz的頻率下以5MIPS工作,片內(nèi)帶有4K FALSH程序存儲(chǔ)器,片上集成有3路定時(shí)器、1路USART(可實(shí)現(xiàn)RS232通訊)、5路8-bitA/D、1路SPI(I2C)以及WDT(看門狗)。該單片機(jī)負(fù)責(zé)兩路DDS的控制(占用RB0～RB7、RC0～RC2、RC5)和串行接口數(shù)字式溫度傳感器的控制(采用I²C總線,占用RC3、RC4),并與PC機(jī)通過(guò)RS232串行口交換數(shù)據(jù)(占用RC6、RC7),同時(shí)該單片機(jī)還預(yù)留出4只管腳的接口(RA0～RA3),可以工作在通用I/O或者A/D方式,便于未來(lái)與其它傳感器或控制器接口。

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2.2 DDS信號(hào)發(fā)生單元

　　DDS信號(hào)發(fā)生單元使用兩片AD9850直接數(shù)字頻率合成器^[2](參見圖3,圖3為其中一路,另一路與之完全相同)。該款DDS具有較高的性價(jià)比,可以產(chǎn)生最高至62.5MHz的信號(hào),32bit頻率分辨率(即在125MHz時(shí)鐘下可以達(dá)到0.0291Hz),相位直接控制精度達(dá)11.25度,可以采用8位并行或串行方式傳輸總長(zhǎng)40bit的控制字。為了實(shí)現(xiàn)頻率的快速更新,電路設(shè)計(jì)中采用了并行的傳輸方式,這樣就能用5個(gè)字節(jié)完成DDS頻率及相位控制字的更新。而且為了節(jié)省總線資源,兩枚DDS芯片共用8-bit數(shù)據(jù)線、復(fù)位線和串行時(shí)鐘線,只是采用不同的數(shù)據(jù)更新控制線FQ-UD。

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　　盡管11.25度的相位控制精度在應(yīng)用中已基本滿足需求,但考慮到實(shí)驗(yàn)研究的需要,可能需要更高的相位控制精度(如1度左右)。這一點(diǎn)可以通過(guò)以下兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn):

　　一是通過(guò)改變兩路數(shù)據(jù)更新線FQ-UD間上升沿的延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]到單片機(jī)的定時(shí)精度約為0.2μs,這一方法在信號(hào)頻率為50kHz時(shí)可以達(dá)到3.6度的相位控制精度。

　　二是通過(guò)短時(shí)間內(nèi)改變兩路信號(hào)的頻率一致性,使得其中一路的頻率比另一路偏高幾赫茲來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種方法的原理與高頻通訊中通過(guò)調(diào)頻的方法實(shí)現(xiàn)調(diào)相的原理基本相同,可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.1度的相位控制精度。例如:兩路信號(hào)中的一路頻率為50kHz,另一路為50.001kHz。開始時(shí)兩路相位相同,200μs(即10個(gè)周期)后兩路相位差變?yōu)?0×360/50000=0.072度。

2.3 信號(hào)隔離單元

　　考慮到信號(hào)的放大部分電壓較高(約為260V),而且信號(hào)發(fā)生部分還需要和計(jì)算機(jī)接口,為保證電路能安全可靠地工作,在信號(hào)發(fā)生單元和放大單元間加入了一級(jí)信號(hào)隔離單元。該單元使用一片HP2531高速光耦作信號(hào)傳遞元件。該光耦具有3MHz的帶寬,內(nèi)帶兩路獨(dú)立的光耦,在1kHz～300kHz間作為線性光耦使用具有較好的線性度。在光耦的輸入端還加了一級(jí)三極管射極跟隨電路,從而保證光耦輸入端的電流處于較佳的工作點(diǎn)上(參見圖4)。

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2.4 信號(hào)放大單元

　　該單元采用兩片PA08系列高壓運(yùn)放^[3]。這種芯片采用8腳TO3封裝,可以在±15V～±150V電源范圍內(nèi)工作,輸出電流可達(dá)±150mA,1MHz處的增益帶寬積為5MHz。該芯片在使用上與普通運(yùn)放基本沒有差別,只是考慮到超聲電機(jī)的負(fù)載特性,在電路中加上了耐壓200V以上的超快恢復(fù)二極管,對(duì)運(yùn)放的輸出端加以保護(hù),防止電路諧振時(shí)產(chǎn)生的反向電壓超出芯片的極限壓差300V。此外,該芯片通過(guò)外接兩枚電阻(圖5中的R7、R8)對(duì)輸出電流加以限制,實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)作用。電路使用的高壓電源直接由220V交流市電整流產(chǎn)生,通過(guò)兩枚130V的穩(wěn)壓管和串連在回路中的功率電阻向高壓運(yùn)放提供工作電源。輸出信號(hào)的幅度可以方便地通過(guò)改變運(yùn)放的增益系數(shù)實(shí)現(xiàn)(調(diào)節(jié)圖5中的電位器R11即可)。

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2.5 溫度傳感器單元

　　溫度傳感器部分采用兩種方案:

　　一種是使用MAX6656^[4]。該芯片共提供3路溫度傳感器,片內(nèi)一路,片外兩路,溫度分辨率為0.125℃。此外,該芯片還提供3路電壓監(jiān)測(cè)以及溫度、電壓的超限報(bào)警。數(shù)據(jù)的傳送采用I²C總線。電路通過(guò)在片外接兩枚SOT23封裝的PNP三極管2N3904來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲電機(jī)機(jī)殼溫度的兩點(diǎn)采集,采集的結(jié)果由單片機(jī)處理后送PC機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)處理。

　　另一種是采用LM74溫度傳感器^[5]。該款溫度傳感器采用SO-8封裝,可直接將溫度傳感器貼在電機(jī)機(jī)殼上。該溫度傳感器的分辨率為0.0625℃,而且由于是直接將溫度進(jìn)行A/D量化后通過(guò)SPI總線傳輸,因而不受一般外接導(dǎo)線電阻以及電路布線、干擾的影響。使用該芯片唯一的不足是需要從電路板上引出4～5根連線,不如前一種方案中兩根連線(實(shí)際選用的是2mm細(xì)同軸電纜)方便。

3 日本新生公司的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路簡(jiǎn)介

　　新生公司的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路能夠輸出兩路頻率在50kHz附近、相位差90度的正弦信號(hào),通過(guò)頻率微調(diào)的方式調(diào)節(jié)超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速,由外置的開關(guān)控制電機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)方向。此外還能通過(guò)電機(jī)上預(yù)留的反饋極實(shí)現(xiàn)頻率小范圍的自動(dòng)跟蹤。該電路除功率驅(qū)動(dòng)部分和變壓器外，大部分單元已經(jīng)集成到新生公司定制的集成電路芯片中了,整個(gè)電路較為緊湊,工作穩(wěn)定性好。該電路的缺點(diǎn)在于信號(hào)的相位固定,信號(hào)電壓的調(diào)節(jié)也不方便,此外電機(jī)沒有預(yù)留出較靈活的控制接口,電機(jī)的控制策略也較簡(jiǎn)單。由于大部分的超聲電機(jī)并未設(shè)置專門的反饋極,所以該電路一般只適合于該公司的特定系列的超聲電機(jī)。此外,由于該電路使用24V直流電壓供電,因此使用中還需要專門配備一功率不小于10W的整流電源,使用起來(lái)不方便。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

　　實(shí)驗(yàn)使用20MHz有源晶振作為單片機(jī)和DDS共用的時(shí)鐘源。本文設(shè)計(jì)的電路可以在20kHz～300kHz范圍內(nèi)產(chǎn)生兩路穩(wěn)定的正弦波,信號(hào)峰-峰值最高可達(dá)250V,兩路最大輸出功率之和約為5W。在驅(qū)動(dòng)新生公司USR30型超聲電機(jī)時(shí),輸出信號(hào)頻率隨電機(jī)溫度在50.1kHz～49.2kHz間變化(溫度升高驅(qū)動(dòng)頻率降低),Vpp=210V時(shí)單路輸出電流Ipp約為230mA。

　　本超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn):

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,功放部分無(wú)需輸出變壓器及阻抗匹配電路,可靠性高;無(wú)需電源變壓器,可直接采用市電供電,使用方便;程序開發(fā)難度小,用戶可以在計(jì)算機(jī)上方便地使用各種熟悉的編程環(huán)境(如VC、VB、MATLAB等)完成控制程序的編寫;頻率及相位的控制精度高,信號(hào)幅度的調(diào)整也比較方便;通過(guò)電路自帶的溫度傳感器和附設(shè)的接口可以方便地進(jìn)行反饋參量的采集;通用性好,適合大部分中低功率的超聲電機(jī)(5W以下)。

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參考文獻(xiàn)

1 上羽貞行,富川義郎著,楊志剛,鄭學(xué)倫譯.超聲波馬達(dá)理論與應(yīng)用.上海:上海科學(xué)出版社,1998

2 AD9850 Datasheet REV.B.Analog Device,1998:15

3 PA08 Datasheet REV.1.APEX Microtech,1998

4 MAX6656 Datasheet.MAXIM Integrated Products INC,2002