解析新型电机设施的性质

时间：2020-01-05

解析新型电机设施的性质超声电机是一种将压电振子在超声频域（≥20kHz）的振动能转换为机械能的电动机，它应用压电元件产生的振动驱动移动体运动。根据超声电机的运动机理，在多数情况下，由两相频率幅值相等、具有一定相位差的高频交变电压信号来驱动压电振子，使得电机正常工作。因此，超声电机的性能在一定程度上由驱动电源的性能决定。(线切割，中走丝）一般说来，驱动电源除应可产生电机工作需要的两相交变信号外，还可以方便地调节频率、相位、幅度等参数，以便实时跟踪控制。　　传统的超声电机驱动电源主要是利用谐振电路或者计算机控制的定时计数器产生方波信号。通常对一定变化范围内的频率，先固定谐振电路的电容，而通过调整电阻，达到改变谐振频率的目的。这种信号发生电路的频率调节范围不够宽，而且在实现超声电机的闭环控制时，难以提高频率调节的分辨率。为了进一步推动超声电机技术的发展和应用，设计频率方便可调的数字化驱动电源是亟待解决的重要课题之一。近年来发展起来的直接数字频率合成技术（DDS）以其频率分辨率高、频率捷变快、频率稳定性好等优点，成为改进传统电源(电源建设将向资源地转移)的**选项。本文将以DDS和单片机技术为基础，设计一个频率相位幅值均可调的超声电机驱动电源。　　1DDS技术原理和AD9850 　　直接数字频率合成（DDS）技术是上世纪60年代末出现的*三代频率合成技术，以Nyquist时域采样定理为基础，在时域中进行频率合成。DDS具有相对带宽很宽，频率转换时间较短（可小于20ns），频率分辨率可以做到很高（典型值为0.001Hz）等优点。另外，全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位、幅度都可以实现程控，通过更换波形数据可以轻易实现任意波形功能。总的来说，新一代的直接数字频率合成器采用全数字的方式实现频率合成，与传统的频率合成技术相比，具有非常优越的性能。　　基于DDS技术，AD公司已研制成功多种信号发生器芯片，本文将以AD9850为应用对象进行讨论。图1给出了该芯片的功能框图。AD9850采用先进的CMOS技术，较高时钟为125MHz，可产生正弦波和方波信号，主要由可编程DDS系统（包括相位累加器和正弦查找表ROM）、**数模转换器（DAC）和高速比较器三部分组成，能实现全数字编程控制的频率合成，并具有时钟产生功能。AD9850包含40位频率/相位控制字，可通过串行或并行方式输入器件，其中32位用于频率控制，5位用于相位控制，1位用于掉电控制，2位用于选择工作方式。由于AD9850在有一个**的时钟源作为参考频率源时，可以产生一个频谱很纯的频率和相位可编程的模拟正弦波输出，可以方便地通过微机进行接口和控制，因此非常适合用于超声电机的驱动电源中。　　2驱动电源的设计　　2.1硬件电路部分　　基于DDS技术的超声电机驱动电源主要由三个部分组成：DDS信号发生单元、信号隔离单元、信号放大单元。　　2.1.1信号发生单元DDS信号发生器由单片机89C51、并行接口芯片825**和2片AD9850构成，图3给出了该部分的电路简图。单片机选用ATMEL公司的89C51芯片，具有4kbyte的片内程序存储器、16个可单独编程或复用的输入/输出管脚、2个外部中断和2个16位的定时/计数器。825**是Intel公司生产的通用可编程并行I/O接口芯片，具有三个8位数据口（A口、B口和C口）和两组控制器（A组和B组）.89C51的P0口与8255的数据总线相连，用于传送相位控制字。P0口还与外部锁存器74LS373的输入端相连，用于控制8255的地址输入线A0、A1，以选中相应的数据口工作。另外，89C51采用线选法与8255的片选线相连，只要P2.7=0的地址都可选中8255工作。8255的A口和B口分别与两片AD9850的8位总线相连，以发送数据。PC02PC3分别与两片AD9850的字输入时钟信号W2CLK和频率更新时钟信号FQ2UD相连，以控制频率相位控制字的写入。　　2.1.2信号隔离单元该单元选用HP公司生产的模拟光耦器HC2NR200，该器件具有较高的线形度，可用于传输带宽大于1MHz的模拟信号。芯片的原理构成所示，由一个发光二极管和两个光电二极管组成。　　由HCNR200构成的高速低功耗模拟隔离电路所示（仅以一路信号传输为例，另一路与此相同），为便于说明隔离原理，将光耦器以分立元件的形式进行表现。图中Q1、Q3为2N3906PNP型晶体管，Q2、Q4为2N3904NPN型晶体管。经测定，该电路可传输带宽高达1.5MHz的信号，传输比Vout/in=R2/R1，*适合用于传输超声电机驱动信号。　　另外，为了消除二极管的导通压降造成的交越失真，可在输入端加一分压电路以改善Q工作点，在输出端加一滤波电路将直流分量滤除。　　2.1.3信号放大单元　　该单元选用BB公司生产的大功率运放OPA541和变压器构成，具体电路（该部分亦只以一路说明）.OPA541电源电压可达正负40V，输出峰值电流高达10A.由该器件组成的同相放大电路与升压变压器（升压比为10，输出电流2A）相连，分别连接超声电机的A相、B相压电振子（图中仅给出A相），可直接驱动超声电机工作。　　2.2软件设计部分　　该程序的功能是将外部输入的频率数据按照一定的协议和算法变换成DDS芯片（AD9850）所能接受的格式，并送出相应的频率相位控制信号，从而使函数信号发生器产生两路相位可调、频率可控的正/余弦信号。程序中单片机输入频率数据Fin与输出频率数据Fout之间的变换算法为：Fin=Fout32CLOCK其中CLOCK为外部参考时钟（50MHz），Fin为输入频率控制字（十六进制），Fout为输出频率值（十进制）. 　　在并行工作方式下，AD9850通过8位总线D0～D7将外部控制字输入到寄存器，在W2CLK的上升沿装入**个字节，并把指针指向下一个输入寄存器，连续5个W2CLK的上升沿读入5个字节数据到输入寄存器后，W2CLK的边沿就不再起作用了。然后在FQ2UD上升沿到来时将这40位数据从输入寄存器装入到频率/相位寄存器，这时DDS输出频率和相位更新一次，同时把地址指针复位到**个输入寄存器以等待下一次的频率/相位控制字输入。控制字的并行输入时序图略。假定某超声电机较佳驱动频率为37kHz，相移为90o，则经计算，W0、W1、W2、W3、W4的值分别是40H、00H、30H、7FH、24H，具体程序略。　　3实验结果与结论　　以DDS技术为基础设计的该变频驱动电源经过实验，输出信号频率带宽为20～50kHz，幅度可在正负250V之间调节变化，两路信号相位差可以进行调节。　　用以驱动实验室自行设计的驻波型直线超声电机（Φ10mm，高32mm，重15g），此时工作频率37kHz，峰值电压100V，输出电流0.**，相位差为90o，速度为15mm/s，电机运行平稳且无噪音。　　超声电机的实用化离不开驱动电源的发展，本文设计的驱动器采用直接数字频率合成技术后，电路性能进一步得到提高。应用单片机完成外围电路，使得整个系统结构简单，调频调相更加方便，并预留了与上位机的接口，为将来利用PC机直接驱动和控制超声电机提供了便利。应用DDS技术改进传统电源，促进了驱动电源向数字化和集成化方向发展，增强了电机的可控性，必将进一步拓展超声电机的应用领域。

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