高性能超声电机驱动及控制电路研制
发布时间:2008/6/3 0:00:00 访问次数:431
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ａｄ９８５０ad9850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计算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可知，大部分超声电机的运行需要相关的驱动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）。
ｄｄｓ信号发生单元产生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ｐｉｃ１６ｆ７３ａpic16f73a型单片机（参见图２）。该款单片机在２０ｍｈｚ的频率下以５ｍｉｐｓ工作，片内带有４ｋ ｆａｌｓｈ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、１路ｓｐｉｉ２ｃ以及ｗｄｔ（看门狗）。该单片机负责两路ｄｄｓ的控制（占用ｒｂ０～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串行口交换数据（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。
２．２ ｄｄｓ信号发生单元
ｄｄｓ信号发生单元使用两片ａｄ９８５０ad9850直接数字频率合成器(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
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ａｄ９８５０ad9850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计算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可知，大部分超声电机的运行需要相关的驱动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）。
ｄｄｓ信号发生单元产生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ｐｉｃ１６ｆ７３ａpic16f73a型单片机（参见图２）。该款单片机在２０ｍｈｚ的频率下以５ｍｉｐｓ工作，片内带有４ｋ ｆａｌｓｈ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、１路ｓｐｉｉ２ｃ以及ｗｄｔ（看门狗）。该单片机负责两路ｄｄｓ的控制（占用ｒｂ０～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串行口交换数据（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。
２．２ ｄｄｓ信号发生单元
ｄｄｓ信号发生单元使用两片ａｄ９８５０ad9850直接数字频率合成器(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
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