超声波电机驱动控制器毕业设计.docx

1、超声波电机驱动控制器毕业设计超声波电机驱动控制器毕业设计1 绪论1.1 超声波电机概述 超声波电机（Ultrasonic Motor，简称 USM）的基本结构及工作原理完全不同于传统的电磁电机，它不是以电磁作用传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动（频率20kHz），然后通过定、转子之间的接触和摩擦力将交变的振动转化成旋转运动或直线运动，实现从电能到机械能的能量转换1。由于超声波电机特殊的工作原理，它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能，如低速大转矩、体积小、重量轻、功率密度大、响应速度快、微位移、不受电磁场的影响、掉电自保护、设计自由度大、可直接驱动负载等2-4。可以说，超声波

2、电机技术是当今世界极有发展前途的技术之一 。 目前 USM 产业化和实用化正在快速发展，在一定程度上开始取代某些小型电磁电机。国外在上世纪 90 年代开始进入超声波电机的实用化、商品化开发阶段。如日本已将超声波电机广泛用于照相机镜头的自动聚焦系统5；三星公司将微型超声波电机用于手机摄像头；美国JPL实验室研制的用于宇宙飞船船体检测的爬壁机器人驱动装置6；Akihiro 公司将其用于高档手表的振动报时；高档汽车中应更加广泛：座椅调整、方向盘位置调整、后视镜角度调整、以及应用于门窗、雨刮器、刹车传动装置等；此外办公设备、家电和 PC 机、平板振子输送纸机构、X-Y 绘图仪、直角坐标自动定位装置等也

3、有所应用，体现了超声波电机广阔的应用前景7。日本在该领域的研究处于世界领先地位，几乎拥有大部分有关超声波电机的发明专利，并且个别种类的超声波电机已经实现产业化，在国民经济中发挥着重要作用8。我国在这方面的研究虽起步较晚（90 年代初），但也取得了一些突破性成果，如南京航空航天大学研究已经取得了原创性和先进性的成果，成功研制出十余种旋转型行波与驻波超声波电机，并且达到了小批量的产业化和商品化；清华大学已研制出直径1mm的弯曲旋转超声波电机；哈尔滨工业大学研制出的三维接触驱动式超声波电机、无轴承新型超声波电机、双定子单转子式超声波电机等。1.2 超声波电机驱动技术现状1.2.1 超声波电机控制方法

4、根据超声波电机的运行机理，比较常用的控制方式如表1.1所示表 1.1 几种常用控制方法比较几种控制方法各自的优缺点决定了各自的应用场合:调频调速相应快，易于实现精确控制，对超声波电机最合适，但工作时谐振频率的漂移要求有自动跟踪频率电路;调相调速换向平滑，适用于需要频繁正反向换向的场合;调幅调速调节范围有限，电压过低压电元件会不起振，过高又会接近压电元件的工作极限，较高的电压对应用面也有限制，一般不太采用;脉宽调幅调速因为调节比较复杂一般也很少使用。1.2.2 驱动技术的发展超声波电机结构确定以后，其性能不仅取决于电机本身，在很大程度上取决于驱动控制系统设计的好坏。与普通电机不同的是：超声波电机

5、属于容性负载，具有强烈的非线性特征，而且目前还没有没有适合于控制的数学模型9，这就决定了其驱动控制器的设计有别于普通电磁型电机感性负载的情况。因此，如何设计一个既满足性能要求又具有结构简单、实用、响应迅速、定位准确、精确度高等特点的 USM 的驱动控制系统，则是 USM 进一步小型化、产品化和实用化所首先需要解决的问题。下面对几种常见的驱动方案做一下简单介绍。（1）典型的超声波电机驱动系统 基本的驱动电路框图如图 1.1 所示，由高频信号发生器产生基准的方波信号，经移相器分成两路相位差 90的超声波电机所需频率的两相方波，再经过逆变升压电路，得到电机所需的驱动信号10。频率跟踪电路测得电机的电

6、压信号来判断电机的是否工作在谐振频率点上，以此来调整高频信号发生器的输出信号。其中高频信号发生器经常采用的器件为LM 555、LM 565、4046等；逆变升压电路一般采用推挽式功放电路，用4个功率场效应管阵列，通过变压器耦合，与超声波电机的压电陶瓷组成谐振回路，如Panasonic公司、Shinsei 公司的马达都采用了场效应管阵列作为功放。图 1.1 典型的超声波电机驱动系统原理框图 目前这种方法使用比较广泛，只是因为变压器必须与不同型号的超声波电机匹配，通用性差，而且变压器的存在极大阻碍了电源装置的小型化，影响超声波电机在特定场合的应用和产品开发。当产品要求体积小、重量轻（如照相机、便携

7、设备等）时，使用变压器的超声波电机驱动装置几乎是不可能的。 近年来，随着 FPGA/CPLD、单片机和 DSP 技术的发展，逐渐抛弃了使用分离元件搭建驱动电路的方法，将信号发生、分频移相以及控制电路等整合到大规模集成电路中，提高了信号的精度与稳定性，同时也使驱动系统小型化成为可能11。（2）基于直接数字频率合成技术（DDS）的驱动电路 传统的超声波电机驱动电路普遍存在体积大、性能单一等问题，难以利用计算机进行电机的控制特性研究。近年来发展起来的直接数字频率合成技术可以较好地解决上述问题。应用DDS技术搭建的驱动电路如图1.2所示，主要由 DDS 信号发生单元、信号功率放大单元构成。工作过程如下

8、：控制器控制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0360范围内任意调节；两路信号分别经低通滤波器、高压运放进行放大，用于驱动超声波电机。将直接数字频率合成器作为信号发生单元，可以方便地实现调频、调相和调压，使电机运转在最佳状态10。图 1.2 基于 DDS 技术的驱动电路（3）采用 LLCC 谐振技术的驱动电源 在绝大多数传统驱动方式中，两相电路的品质因数不同且随时间变化，这将引起电压增益的严重畸变，导致两相正弦输出电压不稳定。因此，超声波电动机的动态性能很差。为解决这个问题，国外学者提出了利用高阶逆变器改进传统电路的方法，通常的做法是采用四阶LLCC型逆变器。与

9、传统的驱动电路相比，该逆变器仅在每相电路中多加了两个电抗元件。它包含了三阶LCC型和LLC型逆变器的优点，所以运用LLCC型两相高频电压逆变器驱动超声波电动机，将会使电动机的工作性能更加优良。通过四个电抗元件之间的参数调节，可以使该电路工作在谐振频率下，此时输出电压的幅值和相位便不会因为品质因数的波动而受到影响。图 1.3 传统驱动电路（A）与采用 LLCC 技术的驱动电路（B）的构成示意图1.3 驱动电路的设计要求根据超声波电机的结构特点和运动机理，对驱动电路的设计提出如下要求11：（1） 提供在超声频段内具有一定功率的两相正交的同频、等幅的正弦交流电压；（2）为满足定子共振条件并产生行波，

10、要求具有变频功能和鉴相功能；（3）由于驱动电压值较高，电路应进行电器隔离式设计；（4）超声波电机具有容性负载特性，需要设计匹配电路，以实现功率匹配、滤 波和谐振升压的功能；（5）为保证超声波电机正常的运行，应在驱动电路中设计相关对频率、电压等 量的限制电路以及启动电路；（6）根据电机的运动机理和应用要求，选择调压、调频或调相中的一种方式或 混合方式进行调速和定位控制；（7）为了满足超声波电机输出性能的稳定性，需要对电机的驱动、振动、运转 等状态进行监测；（8）系统应具有正、反转控制功能，同时为了弥补相同条件下正反转速度不一 致的弊端，还应能实现正反转速度平衡控制；（9）由于超声波电机的非线性，

11、难以建立其数学模型。为了实现超声波电机快 速、准确、稳定的控制，系统应选择合适的反馈信号和控制信号，并设计 相关的控制算法。2 驱动控制器总体方案设计2.1 系统总体方案简介超声波电机种类繁多，每种电机对于驱动的要求有很大不同。本课题研究的超声波电机类型为环形行波超声波电机，无特殊说明，下文提到的超声波电机均为此类型。在超声波电机驱动系统中，微控制器一般会选择信号处理速度快的DSP，但考虑到实际性能需要，微控制器主要作用是向DDS器件发送控制字，接收反馈信号，运行信号处理程序，以及和上位机通信，对于速度要求并不是很高，单片机即能满足要求，另外，使用单片机作为微控制器还有控制简单，开发周期短、成

12、本低等优点，故在方案中选择单片机作为微控制器。 本系统设计最重要的部分是DDS信号产生电路，经过比较，我们最终选定 AD9854专用DDS芯片作为信号产生器件，系统其他部分电路设计围绕 AD9854 进行。在单片机选型中一个比较重要的问题，就是单片机同AD9854的电平匹配问题。AD9854采用3.3V 电源供电，为3.3V CMOS电平，而一般常用的51系列单片机都为5V供电，使用5V TTL电平，如果直接驱动AD9854，由于驱动电压过高，将会对AD9854造成不可恢复的损害，因此，在方案设计的时候，应选择3.3V供电，使用3.3V CMOS 电平的单片机。ATMEL 公司是世界上高级半导

13、体产品设计、制造和行销的领先者，其生产的 51 系列的单片机型号丰富，性能优良，占有极大的市场分额。在本设计中选用了ATMEL公司生产的 AT89LS52 单片机，它采用3.3V电源供电，3.3V CMOS 电平，可以同AD9854直接相连，不用再设计电平转换电路，降低了硬件电路的复杂度。超声波电机速度特性具有严重的非线性，目前还没有建立精确的数学模型，导致其速度控制成为一个难点，在实际应用中必须加反馈电路，形成闭环控制以实现精确的速度控制。反馈电路一般有两种方式：间接反馈和直接反馈。超声波电机提供了一个孤极反馈，利用压电材料的压电效应，输出与电机转速成一定线性关系的电压信号，可以用此来控制驱

14、动电路的波形产生芯片，形成闭环驱动电路。因为是间接测量，输出电压与电机转速也不是严格的的线性关系，准确度得不到保证，不适用于高精度场合。直接反馈一般是在电机轴上安装测速装置，如光电编码器，直接测出电机转速信息反馈给单片机，测量精确，有成熟的信号处理电路。本方案选择光电编码器作为直接反馈组成反馈电路。综合以上几节内容，驱动电路最终方案的原理图如图 2.1 所示。以下比较详细的介绍系统主要部分的方案选定过程。图 2.1 驱动电路方案原理图2.2 DDS 技术工作原理及方案选择为了实现超声波电机精确的位置和速度控制，需要产生两路正弦波，并使其频率在35100KHz，振幅在0140V，相位差在-180

15、180之间均能连续可调，还要保证信号的精确度和稳定度，直接数字频率合成技术（DDS）能够满足系统要求，故基于DDS技术设计了本方案。选取DDS芯片AD9854来产生两路正余弦电流信号，作为超声波电机的驱动信号，下面将对 DDS 的工作原理和系统的总体设计进行介绍。2.2.1 DDS 技术概述 DDS或DDFS是Direct Digital Frequency Synthesis的简称，这个概念在1971 年由J. Tierney 和C. M. Tader等人在“A Digital Frequency Synthesis”一文种首次提出的12，被视为继直接合成，锁相频率合成技术之后的第三代频率合

16、成技术13，它突破了前两种频率合成方法的局限性，从“相位”的概念出发进行频率合成，这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位。在这一技术出现的初期，限于当时的技术和微电子工艺水平，其性能指标尚不能与已有的技术相比，因而并没有得到足够的重视，随着近年来现代集成工艺水平的高速发展，特别是在80年代末经过深入研究认识了DDS杂散成因及分布规律后，对DDS的相位累加器进行了改进，对ROM里的波形数据进行了压缩，使用抖动注入技术以及对DDS工艺结构和系统结构进行了改进，使得DDS技术得到了飞速的发展。目前它广泛应用于传统上需要信号频率源的各个场合，例如在雷达领域的捷变频雷达、有源相

17、控阵雷达、低截获概率雷达，通信领域内的跳频通信、扩频通信，电子对抗领域的干扰和反干扰，仪器仪表领域的各种合成信号，医学领域等方面14。目前，用DDS方法产生正弦波、方波、三角波信号以及其他复杂波形信号的技术逐渐得到重视，AD公司、Qualcomrn公司和Stanford公司一系列优良的 DDS器件不断出现。通过数控电路能对DDS输出波形的频率，相位，幅度进行精确的控制，而且正在向高速高精方向发展，现在最先进的DDS芯片的参考时钟频率已可达到1GHz以上，可以输出从直流到400MHz之间的任意频率的信号。2.2.2 DDS 工作原理DDS 基本原理是利用奈奎斯特采样定律，经过查表后把一系列的数字

18、量信号通过DAC 转换成模拟量信号输出，其基本的原理结构图如图 2.2 所示。图 2.2 DDS 基本原理图 DDS 系统的核心是相位累加器，它由一个加法器与一个N 位相位寄存器构成，每来一个时钟脉冲，加法器将频率控制字与相位寄存器输出的相位数据相加，再把相加后的结果送至相位寄存器的输入端，使加法器在下一个时钟的作用下继续与频率控制字相加，这样，相位累加器在参考时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作，这个周期就是DDS合成信号的一个频率周期，累加器的溢出频率就是输出的信号频率。波形存储器是一个可编程只读存储器（PROM），存储的是以相位为地

19、址的一个周期波的数字幅度信息，每个地址对应于正弦波中0360范围的一个相位点。将相位寄存器的输出与相位控制字相加得到的数据作为一个地址对波形存储器进行寻址，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 DAC，输出模拟信号，低通滤波器滤除不需要的取样分量，输出频谱纯净的正弦波信号。2.2.3 DDS器件的选择 由绪论列举的几种驱动方案以及各自的优缺点，再根据我们系统提出的具体要求来选择方案，选择基于 DDS 技术的驱动方案作为我们的最终方案。DDS 技术的具体实现形式有很多，最简单的方案是E2PROM内存储一个周期的相位幅值信息作为波形存储器，微控制器（一般是单片机）访问E2PROM产

20、生相应的波形，这种方案实现简单，成本较低，但因为单片机要不断访问 E2PROM，而单片机的频率本身不是很高，不适合产生高频信号，而且通常单片机同时要运行其他程序，接收和处理其他信号，所以也不能保证产生信号的稳定性，故这种方案性能比较差，在实际应用中比较罕见。比较常见的方案大致有两种，一是采用专用的DDS器件，二是采用通用的可编程逻辑器件如CPLD、FPGA 等。前者在硬件搭建上要比后者复杂，需要DSP或者单片机作为微控制器，而且要为DDS芯片和DSP或单片机设计很多外围电路，但其优点也很明显，这种方案一般是由微控制器直接发频率控制字K、相位控制字P和幅度控制字A给 DDS器件，不用考虑如何存储

21、波形，如何实现相位累加器，如何访问波形存储器，如何产生系统时钟，如何减小相位噪声等复杂问题，因此在软件编程上前比后者要简单的多，可以采用汇编或者C语言编程，对于大多数熟悉这些编程语言的人而言，上手容易，开发周期短，而对于后者，可编程逻辑器件要同时作为微控制器和DDS器件，直接产生所需要的波形，采用软件编程（一般是VHDL 语言）组合与或非等基本门电路的方法实现特定的波形输出，所以必须考虑底层的硬件问题，对于没有此类经验的人来说，上手比较困难，开发周期比较长。此外专用DDS器件的生产厂商都是国际上著名的半导体厂商，其强大的制造工艺和数模混合电路设计能力能够保证输出波形的纯净，精度和对噪声的抑制，

22、拥有优异的动态性能，从这个方面讲，采用专用的DDS器件更有优势。综合考虑以上各种因素，我们选择专用DDS芯片作为系统波形产生方法。目前国际上生产专用DDS芯片的半导体厂商主要有美国的ADI、Qualcomm、Sciteq、Standford、Harris及Synegy等公司以及法国Omerga 、Dassault公司等。Qualcomm 公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368 等，其中Q2368 始终频率为130MHz，分辨率0. 03Hz，杂散-76dBc，变频时间0.1s；Sciteq 公司推出的系列化DDS产品，其中的ADS - 431，时钟频率1

23、. 6GHz，可正交输出，分辨率 1Hz，杂散- 45dBc，变频时间 30ns；ADI 公司推出的 DDS 系列，AD9850AD9854、AD9951AD9954、AD9858等输出覆盖01GHz范围，而且全部内置了D/ A转换器，称为Complete- DDS，是目前市场上应用广泛、性价比较高的DDS器件15，ADI 公司在中国有广泛的销售渠道，购买比较容易，考虑以上因素，再根据我们提出的具体要求，根据性能够用，注重成本的原则，我们最终选择ADI公司生产的AD9854作为DDS器件。2.3 滤波电路方案选择AD9854产生的信号直接由器件内部的正余弦DAC输出，内部不含滤波器，其输出信号

24、含有大量的高频噪声，该噪声可以分为两类：一类为DAC数模转换所带来的阶梯波分量及其高次谐波；另一类为AD9854内部系统时钟及其高次谐波，故信号输出端口需外接滤波器抑制噪声干扰，要求滤波器的衰减特性要陡直，延迟时间要短。下面介绍滤波电路的方案设计。2.3.1 滤波器的原理与分类滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。按照不同的分类标准，滤波器有下列几种不同的分类。（1）按所处理的信号类型分为模拟滤波器和数字滤波器两种。（2）按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。低通

25、滤波器：允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声；高通滤波器：允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量；带通滤波器：允许一定频段信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声 ；带阻滤波器：抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过；图 2.3 低通、高通，带通、带阻滤波器衰减特性示意图（3）按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。无源滤波器：仅由无源元件（R、L和C）组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时

26、容易引起电磁感应，当电感 L 较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。有源滤波器：所谓有源即含有放大器件之类的元器件，即由无源元件（一般为电容电阻）和有源器件（如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多阶级联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽（由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件（如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。（4）按传递函数分为巴特沃兹（Butterworth）滤波器，

27、切比雪夫（Chebyshev）滤波器，椭圆函数滤波器，贝塞尔（Bessel）滤波器，高斯滤波器等巴特沃兹滤波器：滤波器阻带通带平坦，在幅度平坦前提下，带宽最宽，故又称最大平坦幅度滤波器。最大的优点是最易于设计，因为这种滤波器通带阻带内特性最为平坦，截止特性和相位特性都不错，对构成滤波器的器件要求也不严格，易于得到符合设计值的特性，故设计之初不知道哪种好时，一般选用巴特沃思。切比雪夫滤波器通带内有等波纹起伏，阻带平坦，又称通带等波纹滤波器。优点是截止特性特别好，缺点是相位特性和群延时特性不太好。在对衰减特性要求较高，且相位要求不严的情况下，可以选取切比雪夫滤波器。椭圆函数滤波器阻带通带都有波动，

28、称为通带阻带等波纹滤波器。优点是截止特性比其他滤波器都好，可以产生比Butterworth、Chebyshev 或Bessel 滤波器更陡峭的截止，不过却在通带和止带入内容复杂的纹波，并造成高度的非线性相位响应，对器件要求严格。如果只对衰减特性有要求，可以选取椭圆函数滤波器。贝塞尔滤波器通带内延时特性最平坦，相位特性好，同广泛应用的 Buterworth 滤波器相比，具有最佳的线性响应，因而这种滤波器能够无失真的传送诸如方波、三角波等频谱很宽的信号，但其截止特性相当差。高斯滤波器通带内的相位是等波纹变化的，用于决定频谱分析仪带宽的滤波器中。高斯滤波器在特性上与贝塞尔滤波器非常相似，但高斯型滤波

29、器的群延迟特性不如贝塞尔滤波器的群延迟特性平坦。贝塞尔滤波器在进入阻带区以后才开始迅速趋近于零值的，而高斯滤波器的延时特性曲线则是在通带内就开始缓慢变化，并且趋近于零值的速度较慢。此外，截止特性也不好。2.3.2 滤波器件选择 设计有源滤波器设计大致有三种方案，一是采用集成运放用经典的计算方法设计滤波器，二是采用专用滤波器，三是采用通用滤波器。第一种方法设计方便灵活，但电路元件较多，参数调节复杂，而且杂散电容会影响滤波器的性能16，设计时计算比较麻烦，一般采用查滤波器设计手册的办法进行设计，因为是采用分立元件的模拟电路，所以各个元件之间参数性能的一致性和对称性得不到保证，故电路的可靠性不高，对

30、噪声的抑制效果也不好，所以不适用于高速高精的场合。专用滤波器是固定阶数，固定传递函数类型的滤波器，一般有 Butterworth 滤波器，Chebyshev 滤波器，椭圆函数滤波器，Bessel滤波器几种，阶数一般为四阶、六阶或八阶，有连续时间和开关电容两种类型，一般在程序控制下设置中心频率、品质因数、滤波器工作方式等参数，缺点是形式比较固定，在设计时有很多约束，器件选择方面也受限制。通用滤波器通常单片集成数个独立的二阶有源滤波器，通过外接电阻的方式组成 Butterworth、Chebyshev、椭圆函数、Bessel带通或低通滤波器，其中心频率、转折频率、Q 值、放大倍数等均可由外接电阻值

31、加以确足，参数调整十分方便，通过简单的级联使单片滤波器芯片形成多阶滤波器，另外，一般还备有专用滤波器设计软件进行辅助设计和仿真，大大减小了设计的工作量。通用滤波器是单片集成结构，高频工作时基本不受杂散电容的影响；对电阻误差也不敏感17。基于以上分析，选用通用滤波器作为滤波器设计方案。 目前比较著名的通用滤波器生产厂商为MAXIM和Burr-Brown（TI 旗下公司），MAXIM公司滤波器芯片产品线丰富，频域覆盖从直流到300KHz，单片级联最高可达8阶，可供选择的范围很广，常用的型号为MAX274、MAX275。相对于MAXIM公司丰富的产品线而言，Burr-Brown 公司可供选择的范围比

32、较窄，频率范围也比较有限，比较常见的型号为 UAF42 等，表 2.1 列举了这几种器件的主要参数。表 2.1 几种常见滤波器芯片主要参数比较三种滤波器芯片可以看出，在截止频率范围方面三者都能满足要求，MAX27和MAX275在宽带增益积和谐波失真方面要比UAF42明显高一个数量级，故在精确度方面要比UAF42表现优异。由MAX274辅助设计软件 274SOFT计算可知，当设计通带截止频率为45KHz100KHz，阻带最小衰减为20dB，通带最大衰减为3dB时，Butterworth 滤波器最少为6阶，按照三者阶数计算，MAX274 只需要1片，MAX275需要2片，UAF42则需要4片，如果选择MAX275和UAF42，无疑会增加硬件的复杂度，另外，由滤波器的基本知识可知，有源滤波器的阶数越高，滤波得到的信号噪声越小，而系统对噪声和精度的要求是越高越好，MAX274可以设计高达8阶的Butterworth滤波器，且MAX274在精确度方面丝毫不逊色于其他两者，故综合考虑以上因素，选择单片阶数最高、精度极高的MAX274作为电路的滤