基于DDS技术的行波超声电机电源

� �原动机效率为 : �= P t/ (mq ) ( 4 ) P= (T d + T t ) � �� 10- 3 (5 ) 由式 (1 )~ 式 (5 )可得工作介质的流量为: Q = (2c- d) k�10- 3 / (�q�) ( 6 ) 设工作介质为汽油 ,比重 �= 0. 75 kg / L, q= 4. 6� 10- 7 J/ kg , �= 85%, c= 237 mm , k= 907 N, 当 节流阀角速度 �= 85 rad/ s,节流阀的开度 d= 267 mm. 则由公式( 6)得到原动机的工作介质的流量 Q = 5. 42� 10- 4 L/ s. 5 �结束语 应用仿真软件 ADAMS, 模拟出了在变阻力情 况下调节速度的过程, 推导了在一定载荷下调速器 工作介质的流量关系式, 降低了试验成本, 提高了 机械调速装置的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 效率. 参考文献: [ 1] � 郑建荣. ADAMS ��� 虚拟样机技术入门与提高[ M ] . 北京:机械工业出版社, 2002. [ 2] � MSC. Soft war e. MSC. ADAMS/ V iew 高级培训教程 [ M ] . 邢俊文 , 陶永忠, 译. 北京: 清华大学出版社, 2004. [ 3] � 申永胜.机械原理[ M ] . 北京:清华大学出版社, 1999. 作者简介:张晋西� ( 1962- ) ,男, 四川岳池人,教授,研究方 向为 CAD/ CAM . 机电一体化 技� � �术 基于 DDS 技术的行波超声电机电源 � � � 郝 �铭,陈维山,刘军考,赵学涛 � � � � � (哈尔滨工业大学机电工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001) Power Supply for Traveling Wave U ltrasonic Motor Based on DDS HAOMing, CHEN Wei- shan, LIU Jun- kao, ZHAO Xue- tao ( Schoo l o f Mechatr onics Eng ineering , H arbin Inst itute of Techno lo gy , H arbin 150001, China) � �摘要:针对行波超声电机对驱动电源要求,设计 了基于直接数字波合成技术( DDS)的超声电源. 实 现了稳频和精确调整输出信号频率和相位差的功 能.实验得到了 1 Hz 的频率调整精度和 1�的相位 调整精度. 关键词:超声电机; DDS;频率调节;相位调节 中图分类号: T M356 文献标识码: A 文章编号: 1001- 2257( 2007) 09- 0029- 03 收稿日期: 2007- 04- 28 Abstract: According to the demand of pow er supply for t raveling w ave ult rasonic motor , a new ult rasonic pow er supply designed based on direct digital synthesis ( DDS) technolo gy is presented in this paper. T he output fr equency o f the pow er sup- ply is steady frequency and phase difference could adjust accurately. Frequency adjust precision reached 1 Hz and phase dif ference adjust precision reached 1� was proved by the test r esult . Key words: ultrasonic motor; DDS; f requency adjust ; phase defer ence adjust 0 �引言 超声电机利用压电材料的逆压电效应工作[ 1] , 它要工作在其机械谐振频率附近才能稳定运行, 在 谐振点附近调节驱动频率可以控制电机的速度, 这 就要求超声电源输出频率稳定且能精确调节,以跟 踪马达谐振频率变化. 目前行波型超声电机是超声 电机中较实用的一类[ 2] ,它需要两相超声电源, 通过 改变两相驱动信号的频率和相位差及振幅,来控制 行波超声电机的速度. 驱动电源应该具有精确控制 电源 2路输出信号的频率和相位差的功能[ 3] . 针对 现有超声电源存在频率不够稳定, 频率调节和相位 差调节精度不高等缺点, 研究了以直接数字波合成 技术( DDS)为核心产生频率相位, 可精确控制的 2 �29��机械与电子�2007( 9) 路超声信号, 以功率 MOSFET 为开关器件的逆变 器,作为功率输出的行波超声电机电源. 1 �超声电源设计 1. 1�电源总体结构 超声电源主要由信号发生部分和功率放大部分 构成.功率放大电路可分为线形放大和开关逆变 2 种形式.线形功放存在静态工作电流, 损耗大, 不适 用于大功率场合,逆变功率放大器功放管工作在开 关状态,损耗小效率高, 但只能输出方波. 在驱动超 声电机时应该通过匹配网络滤除高次谐波. 本电源 采用逆变方式进行功率放大. 直接数字频率合成器 ( DDS)具有分辨率高、频 率转换速度快、实施调制灵活、性价比高、生产重复 性好等优点, 因此越来越得到广泛的应用[ 4- 5] .直接 数字波合成器可直接接受计算机控制字, 将控制算 法的数字输出直接转变为频率、相位的改变. 更适合 通过复杂的控制策略来控制超声电机, 提高其性能. 本电源用 2407DSP 给 DDS 芯片发送控制字, 由 DDS芯片产生所需频率和相位差的超声频信号. 电 源总体结构如图 1所示. 图 1� 超声电源总体结构 1. 2�直接数字波合成技术 AD7008DDS芯片 DDS的组成如图 2 所示, f r 为参考时钟, f o 为 输出信号频率. 直接数字波合成器的频率稳定度理 论上与参考时钟相同. 图 2 � DDS 原理 正弦查询 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 存储以相位为地址的 1个周期正弦 信号幅值的采样编码值, 包含 1 个周期正弦波的数 字幅度信息,每个地址对应于正弦波中 0�~ 360�范 围的 1个相位点. 频率控制字为 K f 存储于频率寄存器中, 相位 控制字K p 存储于相位寄存器中.相位累加器的累 加值为K f ,累加频率为参考时钟 f r . 相位累加器进 行线性相位累加, 累加至溢出, 这个溢出频率即为 DDS的输出频率 .改变K f 即可改变输出频率 f o . 以相位寄存器的输出与相位控制字 K p 相加得 到的数据作为地址,对正弦查询表进行寻址,查询表 把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号, 驱 动数模转换器,经低通滤波输出模拟正弦信号. 改变 K p 可以改变输出信号的相位. 下式中, 设N 为相位 累加器位数;M 为相位控制字寄存器位数. 电源输出信号频率的分辨率为 : �f = f r � 2N 电源输出信号的频率为 : f o= �f �K f 电源输出信号相位分辨率为 : �P= 2�� 2M 电源输出信号相位为 : P= �P �K p AD7008集成了 1个 32 位相位累加器和正弦 查询表, 以及 1个 10位的数模转换器. 提供了频率 和相位调整功能. 最高工作频率 20 MHz. 调整输出 频率、相位可通过并行或串行口加载片内相应寄存 器实现 [ 6] . 只需很少的外围附加元器件和 1 个精确 的参考时钟,就可产生频率、相位和由程序调整的正 弦波. AD7008的相位控制寄存器有 12 位, 相位分 辨率约为 0. 35�. 频率控制寄存器和相位累加器有 32位,在参考时钟 20 MHz时, 使频率分辨率约为 0. 05 Hz.最高输出频率可达 5 MHz. 这些性能完全 满足超声马达对驱动电源的要求. 1. 3�超声信号产生电路 超声电机两相超声频电源硬件电路完全相同, 产生的方波具有相同的频率、幅度,只是相互之间的 相位差由相位控制字决定. AD7008 的频率控制字和相位控制字由 DSP 提供,可以精确调节其输出信号的频率和相位. 参考 时钟选用精度为 20 PPM 的有源晶振,可以保证 50 kHz以下的输出频率误差不超过 1 Hz. AD7008输 出的互补正弦信号经过比较器 LM 393 互相比较变 为方波.再经过过高速光耦 6N 137 隔离后, 送到逆 变电路. 1. 4�逆变回路 超声电机一般工作于 20~ 50 kHz,故应采用开 关频率高的功率 MOSFET 作开关器件. 本电源采 用 irf460,其耐压 500 V, 最大漏源电流 20 A, 采用 半桥式逆变电路, 如图 3所示. �30� �机械与电子�2007( 9) 图 3� 半桥逆变电路 MOFET 开关频率高,动态损耗较大, 关断过程 中有时会出现危险的过电压, 造成开关管损坏.为了 保证开关管安全工作,设计了 RCD缓冲电路. 开关管的驱动采用 IR2110 半桥驱动芯片, 它 具有独立的高端和低端输出通道,高端通道电源浮 置,采用自举电路,一片就可以驱动高低 2个 MOS- FET 开关管, 简化了驱动电路. 其高端工作电压可 达 500 V, 逻辑输入与标准的 CMOS 输出兼容, 输 出的栅极驱动电压范围为 10~ 20 V,驱动输出峰值 电流不小于 2 A. 1. 5�输出阻抗匹配 超声电机为容性负载,工作于谐振方式, 如直接 用方波驱动,马达振子激励电压中含较多高次谐波 成分,造成定子表面运动轨迹畸变.必须采用阻抗匹 配,使电机在工作点的等效阻抗接近纯阻性. 电感串连匹配能有效滤除方波中的高次谐波成 份,因而被广泛采用.设 f 为电机工作频率; C 为电 机等效电容,则匹配电感可由下式计算: L= 1 (2�f ) 2C ( 1 ) 2 �实验结果 下面给出了这个超声电源输出波形,图 4所示 两相方波输出相位差为 90�,图5所示两相方波输出 相位差为 45�.输出频率稳定, 频率调节精度可达到 1 Hz,相位调节精度可达到 1�. 满足行波超声电机 对电源的要求. 图 4 � 相位差为 90�的方波输出 图 5 � 相位差为 45�的方波输出 3 �结束语 直接数字波合成技术的应用使电源能够输出频 率稳定的超声频方波, 并且具有精确调节两相超声 频方波频率和相位的能力. 本电源由数字量控制,易 于实现各种控制算法进行超声电机速度、位置控制. 为进一步深入研究超声电机特性及控制提供了理想 的实验平台. 参考文献: [ 1] � 上羽贞行,富川义郎. 超声波马达理论与应用[ M ] . 上 海:上海科技出版社, 1998. [ 2] � 祖家奎, 赵淳生.超声电机定子的驱动方式及其振动响 应特性[ J] . 压电与声光, 2006, 28( 1) : 92- 95. [ 3] � 胡敏强,石� 斌, 钱俞寿. 超声波电动机控制技术研究 的发展及现状[ J] . 微电机, 1998, 31( 2) : 30- 33. [ 4] � 栾宝宽,方� 蕾, 冯永浩.基于 DDS 的信号发生器的设 计与实现[ J] . 电子工程师, 2005, 31( 10) : 38- 39. [ 5] � 赵国勋. 基于直接数字频率合成的正弦波发生器[ J] . 自动化与仪表, 2000, 15( 1) : 15- 18. [ 6] � CMOS DDS Modulat or AD7008. Analo gDev ice公司产 品手册[ Z] . 1995. 作者简介:郝� 铭� ( 1969- ) ,男, 吉林吉林人,博士研究生, 研究方向为行波超声电机及其驱动控制系统. �31��机械与电子�2007( 9)