基于DDS的超声电机驱动电源的研究

第 30卷 � 第 1期 2007年 2月 � � � 电 子 器 件 Chinese Journal Of Electron Devices � � Vol. 30 � No. 1Feb. 2007 Research on Driving Power of Ultrasonic Motor Based on DDS J I A NG N an 1, 2 , L IN Yun�sheng1 , L I U Jun�biao 1 , H A N L i 1 1. I nsti tute of E lect ri cal E ngineer ing , Chinese A cad emy of S ciences , B eij ing 100080, China; 2. Gr aduate Univ ersi ty of Ch inese A cad emy of Sc ienc es, Be ij ing 100049, China Abstract: Ultrasonic mo to r ( U SM) and dir ect digital synthesis ( DDS) ar e both new technolog ies developed in recent years. It can accelerate development o f U SM when DDS is used in driving pow er o f ult rasonic mo� to r. Based on DDS technique, w e designed a new type of digital pow er taking DDS chip AD9850 and Single Chip M icrocomputer ( SCM) 89C51 as the signal g enerato r. T hen, the sine signal is isolated and amplif ied. The experiment is completed and the w orking w avefo rm is collected. The fr equency is 37 kH z and the ve� locity is 15 mm/ s. T he results indicate that the pow er based on DDS is reliable, w hich frequency and phase can modulated real�t ime. It is suitable for driving the ul trasonic motor. Key words: USM; Driving pow er; DDS; Analog iso lation; Pow er amplificat ion EEACC:7820 基于 DDS的超声电机驱动电源的研究 姜 � 楠1, 2 ,林云生1 ,刘俊标1 , 韩 � 立1 1. 中国科学院电工研究所,北京 100080; 2. 中国科学院研究生院,北京 100049 收稿日期: 2006�01�07 作者简介:姜 � 楠( 1980�) ,男 ,现于中国科学院电工研究所攻读博士学位. 主要研究方向为压电微电机技术、精密工件台技术 等, jnan@ ma il. iee. ac. cn. 摘 � 要:超声电机( USM )和直接数字频率合成( DDS)都是近年来发展起来的新技术,将 DDS 应用于 USM 的驱动电源中, 可 以促进超声电机的推广应用.以 DDS 技术原理为基础, 设计了一个数字式超声电机驱动电源 .应用 DDS 芯片 AD9850 和单片 机( SCM ) 89C51 作为信号发生器, 并进行了模拟隔离和功率放大.经过相关实验,采集到了工作波形, 得到电机工作频率为 37 kH z,速度 15 mm/ s.结果表明, 基于 DDS 的电源工作稳定可靠, 调频调相方便,运行无噪声,适合用于驱动超声电机. 关键词:超声电机; 驱动电源;直接数字频率合成;模拟隔离; 功率放大 中图分类号:TM35; TM38 � � 文献标识码:A � � 文章编号: 1005�9490( 2007) 01�0109�03 � � 超声电机是一种将压电振子在超声频域( �20 kHz)的振动能转换为机械能的电动机,它应用压电元 件产生的振动驱动移动体运动.根据超声电机的运动 机理,在多数情况下,由两相频率幅值相等、具有一定 相位差的高频交变电压信号来驱动压电振子,使得电 机正常工作.因此,超声电机的性能在一定程度上由驱 动电源的性能决定[ 1�3] .一般说来,驱动电源除应可产 生电机工作需要的两相交变信号外, 还可以方便地调 节频率、相位、幅度等参数,以便实时跟踪控制. 传统的超声电机驱动电源主要是利用谐振电路 或者计算机控制的定时计数器产生方波信号.通常 对一定变化范围内的频率, 先固定谐振电路的电容, 而通过调整电阻, 达到改变谐振频率的目的 [ 6] . 这种 信号发生电路的频率调节范围不够宽, 而且在实现 超声电机的闭环控制时, 难以提高频率调节的分辨 率.为了进一步推动超声电机技术的发展和应用,设 计频率方便可调的数字化驱动电源是亟待解决的重 要课题之一.近年来发展起来的直接数字频率合成 技术( DDS)以其频率分辨率高、频率捷变快、频率稳 定性好等优点,成为改进传统电源的优先选项. 本文 将以 DDS和单片机技术为基础, 设计一个频率相位 幅值均可调的超声电机驱动电源. 1 � DDS 技术原理和 AD9850 直接数字频率合成( DDS)技术是上世纪 60年代 末出现的第三代频率合成技术,以 Nyquist时域采样 定理为基础,在时域中进行频率合成. DDS具有相对 带宽很宽,频率转换时间极短(可小于 20 ns) ,频率分 辨率可以做到很高(典型值为 0. 001 Hz)等优点. 另 外,全数字化结构便于集成, 输出相位连续, 频率、相 位、幅度都可以实现程控,通过更换波形数据可以轻 易实现任意波形功能. 总的来说,新一代的直接数字 频率合成器采用全数字的方式实现频率合成,与传统 的频率合成技术相比,具有非常优越的性能[ 4�5] . 基于 DDS技术, AD公司已研制成功多种信号 发生器芯片,本文将以 AD9850为应用对象进行讨 论.图 1给出了该芯片的功能框图. AD9850采用先 进的 CMOS 技术,最高时钟为 125 MHz, 可产生正 弦波和方波信号,主要由可编程 DDS系统(包括相 位累加器和正弦查找表 ROM )、高性能数模转换器 ( DAC)和高速比较器三部分组成, 能实现全数字编 程控制的频率合成, 并具有时钟产生功能. AD9850 包含 40位频率/相位控制字, 可通过串行或并行方 式输入器件,其中 32 位用于频率控制, 5 位用于相 位控制, 1 位用于掉电控制, 2 位用于选择工作方 式[ 9] . 由于 AD9850在有一个精确的时钟源作为参 考频率源时,可以产生一个频谱很纯的频率和相位 可编程的模拟正弦波输出, 可以方便地通过微机进 行接口和控制, 因此非常适合用于超声电机的驱动 电源中. 图 1� AD9850 的功能框图 2 � 驱动电源的设计 2. 1 � 硬件电路部分 基于 DDS技术的超声电机驱动电源主要由三 个部分组成(如图 2所示) : 图 2 � 超声电机驱动电源的构成原理图 DDS信号发生单元、信号隔离单元、信号放大 单元. 2. 1. 1 � 信号发生单元 DDS信号发生器由单片机 89C51、并行接口芯片 8255A和 2片 AD9850构成,图 3给出了该部分的电 路简图.单片机选用 ATMEL 公司的 89C51芯片,具 有 4 kbyte的片内程序存储器、16个可单独编程或复 用的输入/输出管脚、2个外部中断和 2个 16位的定 时/计数器[ 2, 7] . 8255A 是 Intel公司生产的通用可编 程并行 I/ O接口芯片,具有三个 8位数据口( A口、B 口和 C口)和两组控制器( A 组和 B组) . 89C51的 P0 口与 8255的数据总线相连,用于传送相位控制字. P0 口还与外部锁存器 74LS373的输入端相连,用于控制 8255的地址输入线 A0、A1, 以选中相应的数据口工 作.另外, 89C51采用线选法与 8255的片选线相连, 只要 P2. 7= 0的地址都可选中 8255工作. 8255的 A 口和 B口分别与两片 AD9850的 8位总线相连,以发 送数据. PC0�PC3分别与两片 AD9850的字输入时钟 信号W�CLK和频率更新时钟信号 FQ�UD相连,以 控制频率相位控制字的写入. 图 3 � DDS 信号发生器的电路简图 2. 1. 2 � 信号隔离单元 该单元选用 H P 公司生产的模拟光耦器 HC� NR200,该器件具有极高的线形度, 可用于传输带宽 大于 1 MHz的模拟信号[ 8] .芯片的原理构成如图 4 所示,由一个发光二极管和两个光电二极管组成. 由 HCNR200构成的高速低功耗模拟隔离电路 如图 5所示(仅以一路信号传输为例,另一路与此相 同) ,为便于说明隔离原理,将光耦器以分立元件的 形式进行表现.图中 Q 1、Q 3 为 2N3906PNP 型晶体 管, Q 2、Q 4 为 2N3904NPN 型晶体管. 经测定, 该电 路可传输带宽高达 1. 5 MHz的信号,传输比 V out / 110 电 � 子 � 器 � 件 第 30卷 图 4� HCNR200 的原理图 犞in = R2 / R1 ,完全适合用于传输超声电机驱动信号. 另外,为了消除二极管的导通压降造成的交越失真, 可在输入端加一分压电路以改善 Q 工作点,在输出 端加一滤波电路将直流分量滤除. 图 5 � 由 HCNR200 构成的模拟隔离电路 2. 1. 3 � 信号放大单元 该单元选用 BB 公司生产的大功率运放 OPA541和变压器构成, 具体电路见图 6(该部分亦 只以一路说明) . OPA541电源电压可达正负 40 V, 输出峰值电流高达 10 A.由该器件组成的同相放大 电路与升压变压器(升压比为 10,输出电流 2 A)相 连,分别连接超声电机的 A 相、B相压电振子(图中 仅给出 A相) ,可直接驱动超声电机工作. 图 6 � 驱动电源的功放单元 2. 2 � 软件设计部分 该程序的功能是将外部输入的频率数据按照一 定的协议和算法变换成 DDS芯片( AD9850)所能接 受的格式[ 2] ,并送出相应的频率相位控制信号,从而 使函数信号发生器产生两路相位可调、频率可控的 正/余弦信号.程序中单片机输入频率数据 F in与输 出频率数据 Fout之间的变换算法为: F in = F ou t � 232 CLOCK 其中 CLOCK 为外部参考时钟 ( 50 MHz) , F in 为输入频率控制字(十六进制) , Fout为输出频率值 (十进制) . 在并行工作方式下, AD9850通过 8位总线 D0 ~ D7将外部控制字输入到寄存器,在W�CLK 的上升沿 装入第一个字节,并把指针指向下一个输入寄存器,连 续 5个W�CLK的上升沿读入 5个字节数据到输入寄 存器后, W�CLK的边沿就不再起作用了. 然后在 FQ� UD上升沿到来时将这 40位数据从输入寄存器装入到 频率/相位寄存器,这时 DDS输出频率和相位更新一 次,同时把地址指针复位到第一个输入寄存器以等待 下一次的频率/相位控制字输入.控制字的并行输入时 序图略.假定某超声电机最佳驱动频率为 37 kHz,相移 为 90o ,则经计算, W0、W1、W2、W3、W4 的值分别是 40 H、00 H、30 H、7 FH、24 H,具体程序略. 图 7 � 驱动电源的软件流程图 3 � 实验结果与结论 以 DDS技术为基础设计的该变频驱动电源经过 实验,输出信号频率带宽为20~ 50 kHz,幅度可在正负 250 V之间调节变化,两路信号相位差可以进行调节. 用以驱动实验室自行设计的驻波型直线超声电机( �10 mm,高32 mm,重 15 g) ,可得波形如图 8所示,此时工 作频率37 kHz,峰值电压100 V,输出电流 0. 5 A,相位 差为 90o,速度为15 mm/ s,电机运行平稳且无噪音. 图 8� 驱动电源的工作波形 (下转第 115页) 111第 1期 姜 � 楠,林云生等: 基于 DDS的超声电机驱动电源的研究 图 7� 电源电压抑制特性 5 � 结束语 本文介绍了一种采用 0. 35 �m BiCMOS工艺,基 于 Brokaw 带隙基准电压源结构, 采用一级温度补偿 技术实现的带隙基准电压源电路. 5 V 工作电压, 基 于Spect re的仿真结果表明:在�40 � 到+ 85 � 的温度 范围变化情况下,基准输出电压为 2. 5 V � 0. 002 V, 温度系数为 1. 52 � 10�5 / � . � 20%的电源电压变化 情况下,输出电压变化为 2. 2 mV.电源电压抑制比为 60 dB.具有良好的低温漂特性和电源抑制能力. 5 V 工作电压下,功耗仅为 1. 19 mW.可广泛应用于 5 V 工作电压低功耗的模拟集成电路中. 参考文献: [ 1] � Tsividis Y P, Accurate Analysis of Temperature Ef fect s in Ic�V BE Characteristics with Applicat ion to Bandgap Reference S ources [ J] . 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