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高性能超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路的研制
摘要：介紹了一種高性能的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路。該電路使用直接數(shù)字頻率全成器（DDS）作為信號(hào)源，通過高壓運(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（DD）溫度傳感器高壓運(yùn)放
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)及控制電路。該電路可以通過串行接口用教育處機(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)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）。
圖2主控單片機(jī)
DDS信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生的兩路獨(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，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)20MHz的頻率下以5MIPS工作，片內(nèi)帶有4KFALSH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、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RBO～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RS232串行口交換數(shù)字（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，便于未來與其它傳感器或控制器接口。
圖3一路DDS信號(hào)發(fā)生單元
2.2DDS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。
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)可以通過以下兩種方法來實(shí)現(xiàn)：
一是通過改變兩路數(shù)據(jù)更新線FQ-UD間上升沿的延時(shí)來實(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實(shí)現(xiàn)的。這種方法的原理與高頻通訊中通過調(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，為保證電路能完全可靠地工作，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）。
圖4信號(hào)隔離單元
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，諞芯片通過外接兩枚電阻（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）。
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。電路通過在片外接兩枚SOT23封裝的PNP三極管2N3904來實(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)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)定的工弦波，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，功放部分無需輸入變壓器及阻抗匹配電路，可靠性高；無需電源變壓器，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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