【正文】 器直接發(fā)頻率控制字K、相位控制字P和幅度控制字A給 DDS器件，不用考慮如何存儲波形，如何實(shí)現(xiàn)相位累加器，如何訪問波形存儲器，如何產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，如何減小相位噪聲等復(fù)雜問題，因此在軟件編程上前比后者要簡單的多，可以采用匯編或者C語言編程，對于大多數(shù)熟悉這些編程語言的人而言，上手容易，開發(fā)周期短，而對于后者，可編程邏輯器件要同時作為微控制器和DDS器件，直接產(chǎn)生所需要的波形，采用軟件編程（一般是VHDL 語言）組合與或非等基本門電路的方法實(shí)現(xiàn)特定的波形輸出，所以必須考慮底層的硬件問題，對于沒有此類經(jīng)驗(yàn)的人來說，上手比較困難，開發(fā)周期比較長。DDS 技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)形式有很多，最簡單的方案是E2PROM內(nèi)存儲一個周期的相位幅值信息作為波形存儲器，微控制器（一般是單片機(jī)）訪問E2PROM產(chǎn)生相應(yīng)的波形，這種方案實(shí)現(xiàn)簡單，成本較低，但因?yàn)閱纹瑱C(jī)要不斷訪問 E2PROM，而單片機(jī)的頻率本身不是很高，不適合產(chǎn)生高頻信號，而且通常單片機(jī)同時要運(yùn)行其他程序，接收和處理其他信號，所以也不能保證產(chǎn)生信號的穩(wěn)定性，故這種方案性能比較差，在實(shí)際應(yīng)用中比較罕見。將相位寄存器的輸出與相位控制字相加得到的數(shù)據(jù)作為一個地址對波形存儲器進(jìn)行尋址，查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號，驅(qū)動 DAC，輸出模擬信號，低通濾波器濾除不需要的取樣分量，輸出頻譜純凈的正弦波信號?！?60176。圖 DDS 基本原理圖 DDS 系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個加法器與一個N 位相位寄存器構(gòu)成，每來一個時鐘脈沖，加法器將頻率控制字與相位寄存器輸出的相位數(shù)據(jù)相加，再把相加后的結(jié)果送至相位寄存器的輸入端，使加法器在下一個時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加，這樣，相位累加器在參考時鐘的作用下，進(jìn)行線性相位累加，當(dāng)相位累加器累加滿量時就會產(chǎn)生一次溢出，完成一個周期性的動作，這個周期就是DDS合成信號的一個頻率周期，累加器的溢出頻率就是輸出的信號頻率。通過數(shù)控電路能對DDS輸出波形的頻率，相位，幅度進(jìn)行精確的控制，而且正在向高速高精方向發(fā)展，現(xiàn)在最先進(jìn)的DDS芯片的參考時鐘頻率已可達(dá)到1GHz以上，可以輸出從直流到400MHz之間的任意頻率的信號。目前它廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)上需要信號頻率源的各個場合，例如在雷達(dá)領(lǐng)域的捷變頻雷達(dá)、有源相控陣?yán)走_(dá)、低截獲概率雷達(dá)，通信領(lǐng)域內(nèi)的跳頻通信、擴(kuò)頻通信，電子對抗領(lǐng)域的干擾和反干擾，儀器儀表領(lǐng)域的各種合成信號，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等方面[14]。 DDS 技術(shù)概述 DDS或DDFS是Direct Digital Frequency Synthesis的簡稱，這個概念在1971 年由J. Tierney 和C. M. Tader等人在“A Digital Frequency Synthesis”一文種首次提出的[12]，被視為繼直接合成，鎖相頻率合成技術(shù)之后的第三代頻率合成技術(shù)[13]，它突破了前兩種頻率合成方法的局限性，從“相位”的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成，這種方法不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位。之間均能連續(xù)可調(diào)，還要保證信號的精確度和穩(wěn)定度，直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）能夠滿足系統(tǒng)要求，故基于DDS技術(shù)設(shè)計了本方案。圖 驅(qū)動電路方案原理圖 DDS 技術(shù)工作原理及方案選擇為了實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)精確的位置和速度控制，需要產(chǎn)生兩路正弦波，并使其頻率在35~100KHz，振幅在0~140V，相位差在180176。綜合以上幾節(jié)內(nèi)容，驅(qū)動電路最終方案的原理圖如圖 所示。直接反饋一般是在電機(jī)軸上安裝測速裝置，如光電編碼器，直接測出電機(jī)轉(zhuǎn)速信息反饋給單片機(jī)，測量精確，有成熟的信號處理電路。超聲波電機(jī)提供了一個孤極反饋，利用壓電材料的壓電效應(yīng)，輸出與電機(jī)轉(zhuǎn)速成一定線性關(guān)系的電壓信號，可以用此來控制驅(qū)動電路的波形產(chǎn)生芯片，形成閉環(huán)驅(qū)動電路。超聲波電機(jī)速度特性具有嚴(yán)重的非線性，目前還沒有建立精確的數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)致其速度控制成為一個難點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中必須加反饋電路，形成閉環(huán)控制以實(shí)現(xiàn)精確的速度控制。ATMEL 公司是世界上高級半導(dǎo)體產(chǎn)品設(shè)計、制造和行銷的領(lǐng)先者，其生產(chǎn)的 51 系列的單片機(jī)型號豐富，性能優(yōu)良，占有極大的市場分額。在單片機(jī)選型中一個比較重要的問題，就是單片機(jī)同AD9854的電平匹配問題。在超聲波電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，微控制器一般會選擇信號處理速度快的DSP，但考慮到實(shí)際性能需要，微控制器主要作用是向DDS器件發(fā)送控制字，接收反饋信號，運(yùn)行信號處理程序，以及和上位機(jī)通信，對于速度要求并不是很高，單片機(jī)即能滿足要求，另外，使用單片機(jī)作為微控制器還有控制簡單，開發(fā)周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，故在方案中選擇單片機(jī)作為微控制器。2 驅(qū)動控制器總體方案設(shè)計 系統(tǒng)總體方案簡介超聲波電機(jī)種類繁多，每種電機(jī)對于驅(qū)動的要求有很大不同。圖 傳統(tǒng)驅(qū)動電路（A）與采用 LLCC 技術(shù)的驅(qū)動電路（B）的構(gòu)成示意圖 驅(qū)動電路的設(shè)計要求根據(jù)超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動機(jī)理，對驅(qū)動電路的設(shè)計提出如下要求[11]：（1） 提供在超聲頻段內(nèi)具有一定功率的兩相正交的同頻、等幅的正弦交流電壓；（2）為滿足定子共振條件并產(chǎn)生行波，要求具有變頻功能和鑒相功能；（3）由于驅(qū)動電壓值較高，電路應(yīng)進(jìn)行電器隔離式設(shè)計；（4）超聲波電機(jī)具有容性負(fù)載特性，需要設(shè)計匹配電路，以實(shí)現(xiàn)功率匹配、濾 波和諧振升壓的功能；（5）為保證超聲波電機(jī)正常的運(yùn)行，應(yīng)在驅(qū)動電路中設(shè)計相關(guān)對頻率、電壓等 量的限制電路以及啟動電路；（6）根據(jù)電機(jī)的運(yùn)動機(jī)理和應(yīng)用要求，選擇調(diào)壓、調(diào)頻或調(diào)相中的一種方式或 混合方式進(jìn)行調(diào)速和定位控制；（7）為了滿足超聲波電機(jī)輸出性能的穩(wěn)定性，需要對電機(jī)的驅(qū)動、振動、運(yùn)轉(zhuǎn) 等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測；（8）系統(tǒng)應(yīng)具有正、反轉(zhuǎn)控制功能，同時為了彌補(bǔ)相同條件下正反轉(zhuǎn)速度不一 致的弊端，還應(yīng)能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)速度平衡控制；（9）由于超聲波電機(jī)的非線性，難以建立其數(shù)學(xué)模型。它包含了三階LCC型和LLC型逆變器的優(yōu)點(diǎn)，所以運(yùn)用LLCC型兩相高頻電壓逆變器驅(qū)動超聲波電動機(jī)，將會使電動機(jī)的工作性能更加優(yōu)良。為解決這個問題，國外學(xué)者提出了利用高階逆變器改進(jìn)傳統(tǒng)電路的方法，通常的做法是采用四階LLCC型逆變器。圖 基于 DDS 技術(shù)的驅(qū)動電路（3）采用 LLCC 諧振技術(shù)的驅(qū)動電源 在絕大多數(shù)傳統(tǒng)驅(qū)動方式中，兩相電路的品質(zhì)因數(shù)不同且隨時間變化，這將引起電壓增益的嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致兩相正弦輸出電壓不穩(wěn)定。范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)；兩路信號分別經(jīng)低通濾波器、高壓運(yùn)放進(jìn)行放大，用于驅(qū)動超聲波電機(jī)。工作過程如下：控制器控制DDS信號發(fā)生單元產(chǎn)生兩路獨(dú)立的正弦信號，兩路信號間的相位差可以在0176。近年來發(fā)展起來的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)可以較好地解決上述問題。 近年來，隨著 FPGA/CPLD、單片機(jī)和 DSP 技術(shù)的發(fā)展，逐漸拋棄了使用分離元件搭建驅(qū)動電路的方法，將信號發(fā)生、分頻移相以及控制電路等整合到大規(guī)模集成電路中，提高了信號的精度與穩(wěn)定性，同時也使驅(qū)動系統(tǒng)小型化成為可能[11]。圖 典型的超聲波電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)原理框圖 目前這種方法使用比較廣泛，只是因?yàn)樽儔浩鞅仨毰c不同型號的超聲波電機(jī)匹配，通用性差，而且變壓器的存在極大阻礙了電源裝置的小型化，影響超聲波電機(jī)在特定場合的應(yīng)用和產(chǎn)品開發(fā)。頻率跟蹤電路測得電機(jī)的電壓信號來判斷電機(jī)的是否工作在諧振頻率點(diǎn)上，以此來調(diào)整高頻信號發(fā)生器的輸出信號。（1）典型的超聲波電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 基本的驅(qū)動電路框圖如圖 所示，由高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生基準(zhǔn)的方波信號，經(jīng)移相器分成兩路相位差 90176。因此，如何設(shè)計一個既滿足性能要求又具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用、響應(yīng)迅速、定位準(zhǔn)確、精確度高等特點(diǎn)的 USM 的驅(qū)動控制系統(tǒng)，則是 USM 進(jìn)一步小型化、產(chǎn)品化和實(shí)用化所首先需要解決的問題。 驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)確定以后，其性能不僅取決于電機(jī)本身，在很大程度上取決于驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計的好壞。調(diào)幅調(diào)速調(diào)節(jié)范圍有限，電壓過低壓電元件會不起振，過高又會接近壓電元件的工作極限，較高的電壓對應(yīng)用面也有限制，一般不太采用。 超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)現(xiàn)狀 超聲波電機(jī)控制方法根據(jù)超聲波電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，表 幾種常用控制方法比較幾種控制方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)決定了各自的應(yīng)用場合:調(diào)頻調(diào)速相應(yīng)快，易于實(shí)現(xiàn)精確控制，對超聲波電機(jī)最合適，但工作時諧振頻率的漂移要求有自動跟蹤頻率電路。日本在該領(lǐng)域的研究處于世界領(lǐng)先地位，幾乎擁有大部分有關(guān)超聲波電機(jī)的發(fā)明專利，并且個別種類的超聲波電機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用[8]。國外在上世紀(jì) 90 年代開始進(jìn)入超聲波電機(jī)的實(shí)用化、商品化開發(fā)階段?？梢哉f，超聲波電機(jī)技術(shù)是當(dāng)今世界極有發(fā)展前途的技術(shù)之一 。中北大學(xué)2012屆本科畢業(yè)論文超聲波電機(jī)驅(qū)動控制器畢業(yè)設(shè)計1 緒 論 1 超聲波電機(jī)概述 1 超聲波電機(jī)驅(qū)動技術(shù)現(xiàn)狀 2 超聲波電機(jī)控制方法 2 驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展 2 驅(qū)動電路的設(shè)計要求 52 驅(qū)動控制器總體方案設(shè)計 5 系統(tǒng)總體方案簡介 5 DDS 技術(shù)工作原理及方案選擇 7 DDS 技術(shù)概述 7 DDS 工作原理 8 DDS器件的選擇 9 濾波電路方案選擇 10 濾波器的原理與分類 10 濾波器件選擇 12 放大電路方案選擇 13 放大電路要求及電路初步設(shè)計 14 高壓集成運(yùn)算放大器的選定 15 前置放大器型號選擇 163 硬件電路設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 16 DDS 波形產(chǎn)生電路設(shè)計 16 AT89LS52 外圍電路設(shè)計 16 AD9854 外圍電路設(shè)計 18 帶通濾波電路設(shè)計 22 功率放大電路設(shè)計 25 系統(tǒng)電源電路設(shè)計 294 軟件設(shè)計與系統(tǒng)調(diào)試 31 系統(tǒng)軟件基本結(jié)構(gòu) 31 波形產(chǎn)生軟件設(shè)計 31 AD9854 的工作模式 31 AD9854 的使用 34致 謝 37參考文獻(xiàn) 381 緒論 超聲波電機(jī)概述 超聲波電機(jī)（Ultrasonic Motor，簡稱 USM）的基本結(jié)構(gòu)及工作原理完全不同于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，它不是以電磁作用傳遞能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)超聲振動（頻率≥20kHz），然后通過定、轉(zhuǎn)子之間的接觸和摩擦力將交變的振動轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或直線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)從電能到機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換[1]。由于超聲波電機(jī)特殊的工作原理，它具有很多傳統(tǒng)電磁電機(jī)無法比擬的優(yōu)越性能，如低速大轉(zhuǎn)矩、體積小、重量輕、功率密度大、響應(yīng)速度快、微位移、不受電磁場的影響、掉電自保護(hù)、設(shè)計自由度大、可直接驅(qū)動負(fù)載等[24]。 目前 USM 產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化正在快速發(fā)展，在一定程度上開始取代某些小型電磁電機(jī)。如日本已將超聲波電機(jī)廣泛用于照相機(jī)鏡頭的自動聚焦系統(tǒng)[5]；三星公司將微型超聲波電機(jī)用于手機(jī)攝像頭；美國JPL實(shí)驗(yàn)室研制的用于宇宙飛船船體檢測的爬壁機(jī)器人驅(qū)動裝置[6]；Akihiro 公司將其用于高檔手表的振動報時；高檔汽車中應(yīng)更加廣泛：座椅調(diào)整、方向盤位置調(diào)整、后視鏡角度調(diào)整、以及應(yīng)用于門窗、雨刮器、剎車傳動裝置等；此外辦公設(shè)備、家電和 PC 機(jī)、平板振子輸送紙機(jī)構(gòu)、XY 繪圖儀、直角坐標(biāo)自動定位裝置等也有所應(yīng)用，體現(xiàn)了超聲波電機(jī)廣闊的應(yīng)用前景[7]。我國在這方面的研究雖起步較晚（90 年代初），但也取得了一些突破性成果，如南京航空航天大學(xué)研究已經(jīng)取得了原創(chuàng)性和先進(jìn)性的成果，成功研制出十余種旋轉(zhuǎn)型行波與駐波超聲波電機(jī)，并且達(dá)到了小批量的產(chǎn)業(yè)化和商品化；清華大學(xué)已研制出直徑1mm的彎曲旋轉(zhuǎn)超聲波電機(jī)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出的三維接觸驅(qū)動式超聲波電機(jī)、無軸承新型超聲波電機(jī)、雙定子單轉(zhuǎn)子式超聲波電機(jī)等。調(diào)相調(diào)速換向平滑，適用于需要頻繁正反向換向的場合。脈寬調(diào)幅調(diào)速因?yàn)檎{(diào)節(jié)比較復(fù)雜一般也很少使用。與普通電機(jī)不同的是：超聲波電機(jī)屬于容性負(fù)載，具有強(qiáng)烈的非線性特征，而且目前還沒有沒有適合于控制的數(shù)學(xué)模型[9]，這就決定了其驅(qū)動控制器的設(shè)計有別于普通電磁型電機(jī)感性負(fù)載的情況。下面對幾種常見的驅(qū)動方案做一下簡單介紹。的超聲波電機(jī)所需頻率的兩相方波，再經(jīng)過逆變升壓電路，得到電機(jī)所需的驅(qū)動信號[10]。其中高頻信號發(fā)生器經(jīng)常采用的器件為LM 55LM 564046等；逆變升壓電路一般采用推挽式功放電路，用4個功率場效應(yīng)管陣列，通過變壓器耦合，與超聲波電機(jī)的壓電陶瓷組成諧振回路，如Panasonic公司、Shinsei 公司的馬達(dá)都采用了場效應(yīng)管陣列作為功放。當(dāng)產(chǎn)品要求體積小、重量輕（如照相機(jī)、便攜設(shè)備等）時，使用變壓器的超聲波電機(jī)驅(qū)動裝置幾乎是不可能的。（2）基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）的驅(qū)動電路 傳統(tǒng)的超聲波電機(jī)驅(qū)動電路普遍存在體積大、性能單一等問題，難以利用計算機(jī)進(jìn)行電機(jī)的控制特性研究。主要由 DDS 信號發(fā)生單元、信號功率放大單元構(gòu)成?！?60176。將直接數(shù)字頻率合成器作為信號發(fā)生單元，可以方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)壓，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳狀態(tài)[10]。因此，超聲波電動機(jī)的動態(tài)性能很差。與傳統(tǒng)的驅(qū)動電路相比，該逆變器僅在每相電路中多加了兩個電抗元件。通過四個電抗元件之間的參數(shù)調(diào)節(jié)，可以使該電路工作在諧振頻率下，此時輸出電壓的幅值和相位便不會因?yàn)槠焚|(zhì)因數(shù)的波動而受到影響。為了實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)快 速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的控制，系統(tǒng)應(yīng)選擇合適的反饋信號和控制信號，并設(shè)計 相關(guān)的控制算法。本課題研究的超聲波電機(jī)類型為環(huán)形行波超聲波電機(jī)，無特殊說明，下文提到的超聲波電機(jī)均為此類型。 本系統(tǒng)設(shè)計最重要的部分是DDS信號產(chǎn)生電路，經(jīng)過比較，我們最終選定 AD9854專用DDS芯片作為信號產(chǎn)生器件，系統(tǒng)其他部分電路設(shè)計圍繞 AD9854 進(jìn)行。 電源供電， CMOS電平，而一般常用的51系列單片機(jī)都為5V供電，使用5V TTL電平，如果直接驅(qū)動AD9854，由于驅(qū)動電壓過高，將會對AD9854造成不可恢復(fù)的損害，因此，在方案設(shè)計的時候， CMOS 電平的單片機(jī)。在本設(shè)計中選用了ATMEL公司生