多路精密超声波电动机驱动电源设计

岳惠峰，李有光，王新尧

(南京航空航天大学， 南京 210000)



多路精密超声波电动机驱动电源设计

岳惠峰，李有光，王新尧

(南京航空航天大学， 南京 210000)

超声波电动机驱动电源以直接数字频率合成技术为基础，通过FPGA输出8路PWM信号，再经隔离，2个全桥逆变电路和滤波电路，产生两路可精密调节幅值、频率和相位差的正弦驱动电压。电源驱动频率范围19.8～50 kHz，频率分辨率为0.186 Hz；相位差调节范围0°～360°，相位分辨率最大为0.72°。该电源能为超声波电动机的控制提供保证。

超声波电动机电源；直接数字频率合成技术；调频；调相

0 引 言

超声波电动机是利用超声波振动作为驱动的新原理电机。自20世纪末以来，超声波电动机得到了迅速的发展和应用，在照相机、汽车、医疗设备、航空航天、机器人、微型机械等领域已经开始使用超声波电动机。超声波电动机作为一种新的驱动器，具有很多优良的性能，如低速下具有大转矩、无需减速装置直接驱动、动作响应快、运行无噪声、掉电自锁、无电磁干扰等[2-3]。驱动超声波电动机需要专门的驱动电源，要求电源输出电压的调频范围在超声范围之内，且输出的电压能调频、调相与调幅。

近几年国内对超声波电动机驱动电源的研究在快速发展。浙江大学的傅平等研制出以 DSP输出方波逆变方式工作的驱动电源，可以获得驱动超声波电动机所需的两相幅值、频率、相位可调的交变信号；哈尔滨工业大学的陈维山研制了一种基于DSP 的行波型超声波电动机的驱动与控制系统，该系统实现了电机在谐振频率点附近的频率自动跟踪、转速反馈控制等功能。上述超声波电动机驱动电源控制方法各有特点[4]，电源输出的电压有调频、 调幅、调相的功能，实现对超声波电动机的速度和位置的控制。但上述驱动电源输出功率较小，输出电压可调范围小，调节精度不高，不能满足超声波电动机精确控制的要求。

为了解决上述电源中存在的精度低、调节范围小等问题，本文设计的精密超声驱动电源的信号源以DDS (Direct Digital Synthesize)[5-8]技术为基础，通过FPGA输出8路PWM波信号，输出8路PWM波信号的调频、调相精度高，调节范围广。同时驱动电源的功放电路采用全桥移相控制方式，这种控制方式的优点是在实现超声波电动机的调压控制时，避免了传统脉宽调制方式带来的当脉宽过窄时脉冲信号丢失的问题。

1 驱动电源设计的依据

超声波电动机工作频率很高，一般超声波电动机的工作频率在19.8～50 kHz，但是对于单个超声波电动机而言，其工作频率范围很窄，为保证电机能正常工作，要求电源输出电压的调频精度高，以满足电机驱动的需求。下面以自制的超声波电动机为例说明，自制的超声波电动机是一个纵弯复合型大功率旋转超声波电动机，由行波驱动，有4个振子。

图1 超声波电动机导纳圆的理想图

用阻抗分析仪(4294A)来测量自制电机振子的阻抗特性，其中测量电压为1V，频率扫描范围为21.5～26kHz，取样点数为801个。测量出这801个点阻抗值，然后利用软件Origin画出振子纵振和弯振的导纳圆图，其中横坐标为电导g，纵坐标为电纳b。振子纵振的导纳圆实际图如图2所示，振子弯振的导纳圆实际图如图3所示。

图2 振子纵振导纳圆

图3 振子弯振导纳圆

从图2和图3中可以得到超声波电动机的几个重要的频率点：fi1为上半功率点的频率，fi2为下半功率点的频率，fs为串联谐振频率点的频率。通过Origin软件可得到从导纳圆中各频率点的信息，如表1所示。

表1 振子的纵振和弯振各频率点的信息

超声波电动机振子是一个容性负载，电机加预紧力时，振子的阻抗特性会随着预紧力的增加而发生变化，因此电机的谐振频率也会发生变化，后面将继续研究这方面的问题，这里暂不作考虑。

超声波电动机工作在两个半功率点连线的右侧半圆上的频率点上时，串联支路的有功功率大于无功功率，该支路的工作效率η≥50%。通常超声波电动机工作频率稍大于串联谐振频率，所以从串联谐振频率到下半功率点的这1/4圆弧是比较理想的工作区域。

由表1可知，超声波电动机振子纵弯的下半功率点与串联谐振频率点的频率差为32Hz，弯振的下半功率点与串联谐振频率点的频率差为29Hz，自制超声波电动机工作频率范围很窄。为了保证电机正常工作，要求电源输出电压具有较高的调频精度。

2 驱动电源设计

2.1 电源的总体结构

设计的精密超声波电动机驱动电源的结构如图4所示。

通过获取来自PC机的不同类型的控制字，FPGA开发板输出4对8路可以调频、调相和调节死区时间的PWM波信号。这4对PWM波信号经光耦隔离、全桥逆变电路、变压器的电压变换与隔离，以及匹配电路滤波，得到2路可调频、调幅、调相的正弦驱动电压以驱动超声波电动机[10]。

2.2 信号源

由于电机的工作频率范围很窄，为准确找到电机正常工作频率，需要电源输出电压的调频精度高。信号源采用基于CycloneIV芯片EP4CE6E22C8的开发板进行设计与研究，该开发板采用50MHz的晶振。本文设计的累加寄存器为28位， 4个控制字(频率控制字，相位控制字(两个)，死区时间控制字)均为 24位数。

PWM波的生成原理主要通过设置4个N位累加寄存器C1，C2，C3，C4，累加寄存器的初始值均为0。在每一个时钟脉冲下，累加寄存器累加一次，即累加寄存器的值加K (频率控制字)，当累加器的值达2 N到时，累加器置零，完成一个周期，然后继续累加。调节频率控制字K，即可改变累加寄存器的累加次数，输出波形的频率f也改变。其PWM波生成的算法如图5所示。

由于设置了4个累加寄存器，每个寄存器的初始计数时间是可以调整的。以第一个累加寄存器C1的初始计数时间为基准，通过改变其它3个累加寄存器的初始计数时间，可改变输出4对PWM波的相位角。当累加寄存器C1达到K×H1时，累加存器C3开始计数；当C1计数到K×H2时，计数器C2开始计数；当C3计数到K×H2时，C4开始计数。移相控制字H1控制最后输出两路正弦波的相位差，而移相控制字H2(间接改变输出波形的占空比) 控制最后输出两路正弦波的幅值。

图5 PWM波生成的算法

在累加寄存器累加过程中，累加寄存器值的范围为0～2N，以累加寄存器C1为例，将累加寄存器的值与2N-1进行比较。当C1<2N-1，pwm1输出高电平，pwm2输出低电平；当2N-1

PWM波输出信号的频率f和频率分辨率：

(1)

(2)

式中：f 为输出频率；K为频率控制字；N 为累加器的位数；fclk为时钟脉冲的频率。PWM波输出信号的相位差和相位分辨率：

(3)

(4)

式中：f为输出频率；H(H1，H2)为相位控制字；K为频率控制字；N为累加器的位数；fclk为时钟脉冲的频率。

PWM波输出信号的死区时间：

(5)

式中：t为死区时间；T为死区时间控制字；fclk为时钟脉冲的频率。

由于频率控制字为24位数，累加寄存器为28位数，由式(1)、式(2)可知，信号源输出PWM波频率的最大值为3.125 MHz，频率分辨率为0.186 Hz。超声波电动机的工作频率一般在19.8～100 kHz，所以频率的调节范围控制在19.8～100 kHz范围内。根据式(3)可知，PWM波的调相范围很大，只要求相位调节范围在0°～360°之内即可。由式(3)、式(4)可知，PWM波的相位差和相位分辨率与频率(频率控制字)有关。本文用自制超声电动机进行实验，通过阻抗分析可知，振子弯振的串联谐振频率约为23.107 kHz，当f=23.108 kHz时，由式(4)可以算出输出PWM波信号的相位分辨率为0.17°。由式(5)可知，PWM波信号的初始死区时间为0.2 μs，死区时间分辨率为20 ns。

2.3 功放电路的设计

由于自制的超声波电动机功率比较大，驱动电源的功放电路采用2个全桥逆变电路，即A全桥与B全桥，功放电路如图6所示。从FPGA输出的8路PWM波信号pwm1～pwm8经过光耦隔离，由IR2110驱动后输出8路PWM波信号pwmA1～pwmB4。pwmA1～ pwmB4分别控制8个MOSFET开关管Q1～Q8。

图6 电源的功放电路

图6的电路采用全桥移相控制方法：所有MOSFET开关管的PWM控制信号占空比为50%，上、下桥臂开关器件的PWM信号互补。以A桥为例，通过调节MOSFET开关管Q1与Q4(或Q2与Q3)导通时间，即调节信号pwmA1与pwmA4(或pwmA2与pwmA3)的相位差α(调节移相控制字H2来实现)，即可改变A桥输出电压脉冲的占空比，即变压器T1原边电压脉冲的占空比输出电压的幅值会改变，因此电机转速也会改变。移相控制信号的示意图如图7所示[11]。

图7 移相控制信号示意图

3 实验结果

以DDS技术为基础设计的PWM信号发生器经过实验，得到需要的波形。在实验中，PC机与FPGA之间通过串口通信完成数据的传输。在PC机上利用串口调试助手，向FPGA写入32位数的控制字(分四次传输，一次传输8位数据)，通过输入不同的控制字，实现输出波形频率、相位和死区时间的调节。

当K=24’h01E49C，H1=24’h0000CB，H2=24’h00012A，T=24’h000049(注：控制字为十六进制表示方式)；当频率控制字K=24’h01E49C，通过式(4)可知，f=23.108kHz，此频率为自制电机振子弯振的串联谐振频率。实测的PWM波形频率23.1081kHz。输出的PWM波实测波形如图8所示。计算频率f=23.1080kHz，实测频率f=23.1081kHz，实际数据与理论数据存在一点偏差，但在误差允许的范围内，基本满足实验的需求。

(a) pwm1～pwm4实测波形

(b) pwm5～pwm8实测波形

(c) pwm1，pwm3，pwm5，pwm7实测波形

图8PWM实测波形

4 结 语

驱动电源的性能直接决定超声波电动机各项输出参数的质量。该新型驱动电源以DDS技术为基础，利用FPGA技术与全桥移相控制技术，使电源输出信号的频率分辨率为0.186Hz，相位分辨率最大为0.72°。调频精度、调相精度得到提高，同时输出信号的稳定性较好，频率和相位差的调节范围大，满足驱动和控制电机的要求。现阶段已完成信号发生器的研制与测试，功放电路的设计，振子研制与测试等，但电机整体还未组装，所以有些实验还未完成，如电机转速和扭矩的测量。后期任务是完成电机的组装，然后进行电机性能的测试，以验证该电源的性能，完成电源的改进工作。

[1] 姜楠，方光荣，刘俊标，等.国内外超声波电动机驱动技术的最新进展[J].微特电机，2005,33(9):38-39.

[2]SASHIDAT,KENJOT.AnIntroductiontoUltrasonicMotors[M].UK:OxfordClarendonPress,1993:4-7.

[3] 赵淳生.面向21 世纪的超声电机技术[J] .中国工程科学，2002,4(2):86-91.

[4] 张文科. 超声波电机频率自动跟踪与负载匹配技术[D].广州：华南农业大学，2007:1-5.

[5]TIERNEYJ,RADERCM.Adigitalfrequencysynthesizer[J].IEEETrans.onAudioandElectroacoustics,1971,19(1):48-57.

[6] 姜楠，林云生，刘俊标.基于DDS的超声电机驱动电源的研究[J].电子器件，2007,30(1):109-115.

[7] 周斌，李志钧，赵淳生.基于DDS的超声电机驱动电源[J].压电与声光，2002,24(3):202-204.

[8] 王龙帅.基于DDS的超声波电机驱动控制研究[D]. 洛阳：河南科技大学，2009:6-12.

[9] 罗凤玲，丁慎训，陈新业,等. 超声马达实验[J]. 大学物理，1995, 14(8):26-30.

[10] 李有光，陈维山，陈在礼,等. 超声波电动机驱动电源研究[J]. 微特电机，2010,38(10):25-27.

[11] 史敬灼. 超声波电机运动控制理论与技术[M].北京：科学出版社，2011:66-69.

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

何洪军，博士，研究方向为机器人整机及系统集成、感知系统和算法等。

2015-08-14

TM359.9

A

1004-7018(2016)03-0038-03