摘要：將直接數字頻率合成技術應用于行波型超聲波電機驅動器設計，提出一種具有調頻，調相和調幅功能的高性能超聲波電機驅動器。 關鍵詞： 超聲波電機 直接數字頻率合成 Abstract：In this article, Direct Digital Frequency Synthesis Technology are used to design Traveling-Wave Type Ultrasonic Motor driver. A kind of Ultrasonic Motor driver, which have the ability of Frequency Modulation, Phasic Modulation and Amplitude Modulation is presented Key Words: Ultrasonic Motor ; Direct Digital Frequency Synthesis 　　 1 前 言： 　　 超聲波電機（USM）是二十世紀七○年代發展起來的一種新型電機，發展歷史只有30多年，但是超聲波電機具有低速大轉矩、斷電自鎖，無噪音，無電磁干擾等許多電磁馬達所不能及的優點，所以發展十分迅速。 　　 超聲波電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動，將彈性材料的微觀變形通過共振放大和摩擦耦合轉換成轉子或滑塊的宏觀運動的。由于壓電陶瓷的特性，以及定子和轉子間的摩擦特性受溫度變化影響大，且存在嚴重非線性，因此在控制精度要求較高的場合不宜使用傳統PID控制，而應使用自適應控制和智能控制。通常這類控制算法比較復雜，需要使用DSP芯片來完成。由于DSP芯片輸出的控制信號是數字信號，而超聲波電機需要的驅動信號是兩路具有一定幅值，頻率，和相位差的正弦信號，因此需要通過驅動器來完成這種轉換。 　　 超聲波電機的速度控制方法與特點： 　　 超聲波電機常用的速度控制方式有調頻、調相和調幅三種。各有優缺點。調頻是一種較常用的超聲波電機調速方法，但是電機諧振點隨著溫度變化而變化，導致了電機轉速隨溫度變化，而且電機通常不能工作在最佳頻率點上，不能獲得最大振幅，效率較低。圖1給出了USR-60型超聲波電機在不同溫度下的轉速頻率特性。調相方式是在-90°～ +90°之間改變兩正弦波驅動電壓的相位差，這種調速方式可以在較大范圍內調節電機轉速，還可以方便地改變電機旋轉方向。但是，在零相位差附近存在死區，而且死區隨負載力矩的增加而增加。調幅也是一種超聲波電機調速方法，具有線性好，速度變化平穩的優點，但在低速時性能不佳。而且常用的PWM（Pulse-Width Modulation）驅動器一般不具有調幅能力，所以較少采用 3 對超聲波電機驅動器的技術要求： 　　 從上面對超聲波電機速度控制方式的討論可知，如果需要在較大范圍內精確控制超聲波電機的轉速，僅使用某一種速度控制方式是很難實現的。綜合使用上面三種速度控制方式則是較好的選擇。因此，理想的超聲波電機驅動器應該具有如下一些特點：1：輸出兩路正弦波。2：兩路正弦波頻率在35KHz～45KHz之間連續可調（對于不同型號超聲波電機可能稍有變化）。3：兩路正弦波驅動電壓的相位差在-90°～+90°之間連續可調，4：兩路正弦波電壓有效值在0～120V之間連續可調。5：具有較高的頻率、相位、幅值控制精度。 　　 4 目前常用超聲波電機驅動器特點與不足： 　　 目前超聲波電機驅動器大多使用PWM驅動方式。圖3給出了這類驅動器的結構原理圖。從圖中可以看出，該控制器使用方波替代正弦波來簡化調頻和調相過程。由于超聲波電機工作在容性狀態，再加上驅動電路大多串聯電感來提高功率因數，所以電機的實際驅動電壓為近似正弦波。圖2是該控制器輸出級輸出電壓的實測結果。這種控制器可以方便的實現調頻和調相，而且精度較高。但調幅比較困難，有些資料提出使用改變占空比來間接調幅，但存在輸出電壓幅值與占空比不成比例、調節范圍小和控制精度低等問題，因此很少采用。此外PWM驅動器輸出電壓中含有較多諧波成份，這會增加電機溫升。 5 基于DDS技術的超聲波電機驅動器原理與特點： 　　 本文提出的超聲波電機驅動器是以直接數字頻率合成（Direct Digital Frequency Synthesis簡稱DDS）技術為基礎的，因此有必要對DDS技術做一簡單介紹。DDS技術是近幾年來迅速發展起來的頻率合成技術，它采用全數字化技術，具有集成度高、體積小、相對帶寬寬、頻率分辨率高、相位連續性好、可編程控制和控制靈活等優點，并能直接與DSP接口構成智能化頻率源。 　 DDS是利用采樣定理，通過查表法產生波形的。圖4是DDS的基本電路原理框圖。 相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯構成。每次時鐘脈沖fS到來，加法器就將頻率控制字k與累加寄存器輸出的累加相位數據相加，并把相加后的結果送至累加寄存器的數據輸入端。累加寄存器將加法器在上次時鐘脈沖作用后所產生的新相位數據反饋到加法器的輸入端，以便加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進行線性相位累加。因此，相位累加器輸出的數據就是合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。 　　　　 用相位累加器輸出的數據作為正弦波形存儲器（ROM）的相位取樣地址，就可以把存儲在波形存儲器內的正弦波形采樣值通過查找表查出。該采樣值經D/A轉換器轉換為要求合成頻率的正弦信號。圖中的低通濾波器用于濾除不需要的采樣分量，以便得到純凈正弦波信號。圖5是采用DDS技術合成的正弦信號實測結果。本文提出的超聲波電機驅動器選用AD公司最近推出的DDS芯片AD9852為核心。該器件內含48位頻率累加器、48位相位累加器、正余弦波形表、12位正交數模轉換器以及調制和控制電路,該芯片能夠在單片上完成頻率調制、相位調制和幅度調制。由于AD9852內部時鐘頻率最大可達300MHz，根據奈奎斯特采樣定理，其輸出信號頻率上限為150MHz。以上指標完全滿足驅動器對DDS芯片精度和帶寬的要求。 圖6是以DDS技術為基礎的超聲波電機驅動器原理框圖。DSP芯片根據需要輸出的驅動電壓的頻率、相位和幅值計算出所需的頻率控制字、相位控制字和幅值控制字，并把這些控制字通過串行或并行方式寫入兩片AD9852。AD9852按照控制字的要求輸出兩路正弦信號，再經過功率放大和變壓器升壓后驅動超聲波電機工作。兩路低通濾波電路和功率放大電路完全相同，它們對輸入信號的相移也相同，不會對驅動器產生不利影響，因為影響超聲波電機轉速的是兩相驅動電壓的相位差。 6 驅動器控制精度分析： 　　 AD9852的頻率控制字長為48位，其輸出信號可以編程控制的頻率精度Δf為： Δf＝300×106／248＝1.066×10－6 AD9852的相位控制字長為14位，其輸出信號可編程控制的相位精度 ΔP為： ΔP＝π／214＝1.917×10－4 弧度 AD9852的數模轉換器為12位，其輸出信號可編程控制的幅值精度ΔA為： ΔA＝1／212＝2.441×10－4 以上是AD9852的理論控制精度，實測顯示，信號經過功率放大后頻率精度和相位精度仍可以接近理論值。幅值精度下降較大，但是仍然可以滿足超聲波電機的控制要求。 　　 7 仿真與測試結果： 　　 為驗證超聲波電機控制器設計方案的可行性，實際工作中對驅動器進行了仿真和測試。圖7是使用Pspice軟件對低通濾波電路和功率放大電路進行仿真的結果。從圖中可以看到，在輸入信號頻率為38.8KHz時電機發生串聯諧振，阻抗最小，驅動器輸出電阻上壓降變大，因而輸出電壓下降。但功率運放PA45驅動能力強，輸出電阻小，因此該壓降只有1V，相對誤差小于0.6 %,不會對超聲波電機的調幅調速產生影響。 　　 仿真時，使用了下面的超聲波電機等效電路： 8 結 論： 　　 基于DDS技術的超聲波電機驅動器是一種可編程控制的新型驅動器，不僅具有調頻、調相和調幅能力而且具有控制精度高，輸出信號為標準正弦波的特點。其具有的調幅能力和輸出標準正弦信號的特點是一般PWM驅動器所不具備的。 　　 [B]參 考 文 獻[/ B] 　　[1]: 王季秩，曲家騏’執行電動機’機械工業出版社，1997。 　　[2]: 上羽貞行，富川義朗著，楊志剛，鄭學倫譯’超聲波馬達理論與應用’1997 　　[3]: Güngör Bal ’A Digitally Controlled Drive System for Travelling-wave Ultrasonic Motor’ Turk J Elec Engin, VOL.11, NO.3 2003. 　　[4]: Directed by Prof.Hu Minqiang ’Ultrasonic Motors Research 　　Group in SEU’Electrical Engineering Department,Southeast University. E 　　[5]: H.Das,X.Bao,Y.Bar-Cohen,R.Bonitz,R.Lindemann,M.Maimone,I.Nesnas,C.Voorhees’Robot manipulator technologies for planetary exploration’ Proceedings of the 6th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials,1-5 March,1999. 　　[6]: 　　Tomonobu Senjyu,Member,IEEE,Tomohiro Kashiwagi,and Katsumi Uezato ’Position Control of Ultrasonic Motors Using MRAC and Dead-Zone Compensation With Fuzzy Inference’IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,VOL.17,NO.2,MARCH 2002. 　　[7]: 褚國偉，金龍，王心堅，施一峰，翟曉軍，胡敏強’基于DSP的超聲波電 　　機控制系統’東南大學電氣工程系。 　　[8]: 潘松，黃繼業，曾毓’SOPC技術實用教程’清華大學出版社，2005.3. 　　[9]: Schenker, Paul S.; Bar-Cohen, Yoseph; Brown, D. K.; Lindemann, R. A.; Garrett, M. S.; Baumgartner, Eric T.; Lee, Sukhan; Lih, Shyh-Shiuh; Joffe, Benjamin ’Composite manipulator utilizing rotary piezoelectric motors: new robotic technologies for Mars 　　in-situ planetary science’ Smart Structures and Materials 1997. 　　[10]: 王志良，孫思先，徐銀梅，黎多文’超聲波電動機及其驅動’ 微特電機，1994.5。 　　 　　[11]: 石 雄，’基于DDS技術的自適應米波雷達自動頻率控制系統’電子技術應用，2004.5。 　　[12]: 姜田華，’實現直接數字頻率合成器的三種技術方案’電子技術應用，2003.11。