高性能超声电机驱动及控制电路的研制

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1、高性能超声电机驱动及控制电路的研制

2、第1内容加载中...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

3、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

4、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0.1～10Hz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Hz的信号，32bit频率分辨率

5、（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F

6、Q-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度的相位控制精度。二是通过短时间内改变两路信号的频率一致性，使得其中一路的频率比另一路偏高几赫兹来实现的。这种方法的原理与高频通讯中通过调频的方法实现调相的原理基本相同，可以实现优于0.1度的相位控制精度。例如：两路信号中的一路频率为50kHz，另一路为50.001kHz。开始时两路相位相同，200μs（即10个周期）后两路相位差变为10×360/50000=0.072度。2.3信号隔离单元考虑到信号的放大部分电压较高（约为26

7、0V），而且信号发生部分还需要和计算机接口，为保证电路能完全可靠地工作，在信号发生单元和放大单元间加入了一级信号隔离单元。该单元使用一片HP2531高速光耦作信号传递元件。该光耦具有3MHz的带宽，内带两路独立的光耦，在1kHz～300kHz间作为线性光耦使用具有较好的线性度。在光耦的输入端还加了一级三极管射极跟随电路，从而保证光耦输入端的电流处于较佳的工作点上（参见图4）。图4信号隔离单元2.4信号放大单元该单元采用两片PA08系列高压运放[3]。这种芯片采用8脚TO3封装，可以在±15V～±150V电源范围内工作，输出电流可达±150m

8、A，1MHz处的增益带宽积为5MHz。该芯片在使用上与普通运放基本没有差别，只是考虑到超声电机的负载特性，在电路中加上了耐压200V以上的超快恢复二极管，对运放的输出端加以保护，防止电路谐振时产生的反向电压超出芯片的极限压差300V。此外，谝芯片通过外接两枚电阻（图5中的R7、R8）对输出电流加以限制，实现对电路的保护作用。电路使用的高压电源直接由220V交流市电整流产生，通过两枚130V的稳压管和串连在回路中的功率电阻向高压运放提供工作电源。输出信号的幅度可以方便地通过改变运放的增益系数实现（调节图5中的电位器R11即可）。2.5温度传感

9、器单元温度传感器部分采用两种方案：一种是使用MAX6656[4]。该芯片共提供3路温度传感器，片内一路，片外两路，温度分辨率为0.125。此外，该芯片还提供3路电压监测以及温度、