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高性能超声电机驱动及控制电路的研制

摘要：介绍了一种高性能的超声电机驱动及控制电路。该电路使用直接数字频率全成器（DDS）作为信号源，通过高压运放将信号放大到峰-峰值为250V，用于驱动超声电机；借助温度传感器采集电机温度变化，利用计算机实时监控超声电机的运行。关键词：超声电机直接数字频率合成器（DD）温度传感器高压运放超声电机是一种基于压电陶瓷逆压电效应的新型电机。与一般电磁电机相比，超声电机能直接输出低转速大力矩，且瞬态响应快（可达ms量级）、定位精度高（可达nm量级），非常适合取代传统的伺服电机及步进电机。目前超声电机已广泛应用于照相机及摄像机的自动调焦系统，而且在精密仪器以及航空航天领域也有许多应用。尽管超声电机具有很多优点，但由于超声电机对于驱动信号有着较高的要求，所以目前国内外开发的超声电机的驱动及控制电路普遍存在电路体积大、控制性能单一等问题。大多数超声电机的控制特性研究还是基于与超声电机配套的普通驱动电路，难以利用计算机方便地进行超声电机的控制特性研究。针对上述问题，应用目前市面上流行的DDS芯片AD9850和高压运放PA08开发出了一种高性能的超声电机驱动及控制电路。该电路可以通过串行接口用教育处机实施控制和参量采集，并且信号的频率及相位控制精度高；可以在温度传感器的控制下实现信号频率的自动调节，同时电路中还预留了4路模拟、数字通用传感器接口。1超声电机驱动及控制电路的工作原理由超声电机的工作机理[1]可知，大部分超声电机的运行需要相关的驱控制电路提供两路频率相同、相位差为90度（或可调）、频率为20kHz～100kHz、输出信号峰-峰值为100～350V、功率为0.1～10W的交变信号。此外，由于超声电机的最佳工作频率是由系统的机械共振频率决定的，而以压电元件为主的振动系统的共振频率会随着外界参数（如温度、预压力等）的改变发生变化，因此一款好的超声电机驱动及控制电路必须能够很好地对系统共振频率的变化实施跟踪，从而确保电机的稳定运行。2电路的基本构成和原理超声电机驱动及控制电路主要由以下5个部分组成：DDS信号发生单元、信号隔离单元、信号功率放大单元、温度传感器单元、单片机主控和接口控制单元（参见图1）。图2主控单片机DDS信号发生单元产生的两路独立的正弦信号，两路信号间的相位差可以在0～360度范围内任意调节；两路信号分别经RC低通滤波和三极管射极跟随送至高速光耦，然后经由高压运放放大至250V,用于驱动超声电机；超声电机工作一段时间后温度会发生变化，该温度由温度传感器采集送至主控单片机处理；单片机将温度数据通过串行口传到PC机，由PC机根据控制模型将修正后的驱动频率控制字传回单片机，或者由单片机根据片内预存的温度-频率表修正DDS的信号发生频率。考虑到未来扩展的需要，系统预留出4路A/D及通用I/O复用端口，用来和测量电机转速的光电编码器、应变片力矩传感器等接口。以下分别就各单元的组成和功能作简要介绍。2.1单片机主控单元主控单片机采用PIC16F73A型单片机（参见图2）。该款单片机20MHz的频率下以5MIPS工作，片内带有4KFALSH程序存储器，片上集成有3路定时器、1路USART(可实现RS232通讯)、5路8-bitA/D、路SPI（I2C）以及WDT（看门狗）。该单片机负责两路DDS的控制（占用RBO～RB7、RC0～RC2、RC5）和串行接口数字式温度传感器的控制（采用I2C总线，占用RC3、RC4），并与PC机通过RS232串行口交换数字（占用RC6、RC7），同时该单片机还预留出4只管脚的接口（RA0～RA3），可以工作在通用I/O或者A/D方式，便于未来与其它传感器或控制器接口。图3一路DDS信号发生单元2.2DDS信号发生单元DDS信号发生单元使用两片AD9850直接数字频率合成器[2]（参见图3，图3为其中一路，另一路与之完全相同）。该款DDS具有较高的性价比，可以产生最高至62.5MHz的信号，32bit频率分辨率（即在125MHz时钟下可以达到0.0291Hz），相位直接控制精度达11.25度，可以采用8位并行或串行方式传输总长40bit的控制字。为了实现频率的快速更新，电路设计中采用了并行的传输方式，这样就能用5个字节完成DDS频率及相位控制字的更新。而且为了节省总线资源，两枚DDS芯片共用8-bit数据线、复位线和串行时钟线，只是采用不同的数据更新控制线FQ-UD。尽管11.25度的相位控制精度在应用中已基本满足需求，但考虑到实验研究的需要，可能需要更高的相位控制精度（如1度左右）。这一点可以通过以下两种方法来实现：一是通过改变两路数据更新线FQ-UD间上升沿的延时来实现。考虑到单片机的定时精度约为0.2μs，这一方法在信号频率为50kHz时可以达到3.6度的相位控制精