第24卷第3期
2002年6月
压 电 与 声 光
P IEZ O EL ECTR I CS &A COU STOO PT I CS
. 24N o . 3V o l June 2002
文章编号:100422474(2002) 0320202203
基于DD S 的超声电机驱动电源
周 斌, 李志钧, 赵淳生
(南京航空航天大学超声电机工程研究中心, 南京210016)
摘 要:传统的行波超声电机驱动电源通常只能固定相位差调频率或固定频率调相位差, 不能全面的满足行波超声电机控制的要求。文章提出了一种新的方案, 这种新的超声电机驱动电源, 能产生两相可调频率, 可调相位差及幅度的正弦信号。运用作者新的方案, 解决了以往超声电机驱动电源只能调电压和调频率的缺点, 而同时运用三种手段对超声电机进行调整, 使各种型号的超声电机都能调整到一个良好的工作状态, 从而提供对超声电机进行精确控制的基础。
关键词:驱动电源; DD S ; 超声电机
中图分类号:TM 35916 文献标识码:A
A D r i v i n of se on DD S
i n , I i -jun , ZHAO Chun -sheng
(U otor Engineering Research Center , NUAA N anjing , N anjing , 210016China )
Abstract :In traditi onal driving pow ers fo r traveling w ave type ultras on ic mo to rs , on ly frequency can be adjusted .
. In th is paper , a ne w p ro ject is T hese driving pow ers canno t comp letely m eet the needs of con tro lling ultras on ic mo to r
p resen ted in w h ich a ne w type of driving pow er can p roduce two phase sin signals , the frequencies , phase differences and amp litudes of w h ich can be all adjusted . W ith the ne w type driving pow er , all k inds of traveling w ave type ultra 2. s on ic mo to rs can be adjusted to good wo rk ing states
Key words :driving pow er ; DD S ; ultras on ic mo to r
1 引言
超声电机是近20年来出现的一种驱动装置。它
利用压电材料的逆压电效应, 将电能转换为振动机械能, 再依靠摩擦驱动转子作旋转或直线运动[1]。
超声电机具有低速大扭矩、运动精确、不受电磁干扰、断电自锁、响应快等优点[2], 所以在最近十几年里, 从理论到应用都有了迅速的发展。各国都纷纷对其进行研究, 国内如南京航空航天大学、清华大学、浙江大学等多家单位也对其进行了研究。其中, 南京航空航天大学超声电机工程研究中心研制的行波型系列超声电机已基本达到产业化的要求。
行波超声电机的调速方法主要有调压调速、调频调速、调相调速等。调压调速具有线性调速的优点, 但低速时转矩小、死区大。调频调速具有响应快, 易于实现低速启动的优点, 但有一定的非线性。调相调速具有换向运动平滑, 可实现柔顺控制的优点, 但
低速启动困难。本文针对超声电机的调速特点, 提出了一种综合上述三种方法的调速驱动电源的新方案, 人们可以在此基础上通过编程, 对电机进行智能控制, 以达到电机运转的最佳性能。
2 基本原理及方案构成
本方案主要由信号发生器和功放组成。调压由功放实现, 调频及调相由信号发生器实现。
传统的精确信号发生器主要通过锁相环实现(见图1) , 其输出频率f o =N f R , 要实现频率连续可调较困难, 且当需要输出两相信号时
, 其相差较难控制。
图1 锁相环原理框图
收稿日期:2001208202
作者简介:周斌(19762) , 男, 江苏人, 硕士, 研究方向:超声电机的驱动与控制。
第3期周 斌等:基于DD S 的超声电机驱动电源203
本文根据采样定理, 采用直接数字合成(DD S ) 法, 较好的解决了这些问题, 其频率调节的主要原理如图2所示。其中, f c 为基准频率, 通常由晶振产生。f o 为输出频率。查找表(ROM ) 中存放了一个周期的正弦函数, 相位寄存器和加法器构成一个累加器, 其累加值为M , 累加频率为f c , 累加器对查找表进行寻址。当寻址完一个周期正弦函数的时间T o =(2n 2n ) f c ,
改变M 的值即可调整M T c ) 即f o =(M
可尽可能减小谐波及其象频的噪声。由于滤波器相位特性较差, 所以两路滤波器要求对称性好, 尽量减小由此引起的相位误差。功放采用乙类放大器, 进行功率放大, 并实现幅度的调整。
, 且频率变化时相位连续。查找表出来的数据经数模转换器及低通滤波器后即为我们所需的信号(应用采样定理) 。由采样定理知, f c ≥2f 应用中一般取f c =3f
o m ax
o m ax
, 实际
。
3 性能分析
2 DD S 原理框图
由于DD S 是整个系统的核心, 为此有必要讨论和分析它的性能, DD S 的性能主要受相位舍位噪声, 幅度量化误差, 数模转换器非线性的噪声的影响[3]。已有研究表明, 相位舍位引起的噪声可以忽略。故此主要分析另两种噪声来源。311 幅度量化误差
累加器输出为n 位, 但查找表的寻址位数m 一般要比n 小, 如果我们需要频率分辨率为1H z 、最高频率为50M H z 的信号发生器, m =n , 则需要一个150M 字节的作为查找表, 这是很难实现的, 所以, 我们一般取累加器的高m 位来寻址, m 为～14位。这样会引入一些相位噪声, 但是在大多
由于ROM 的有限字长效应, 引起了幅度量化误差, 设正弦信号幅度为A , L 为量化电平数, L =2D , D 为查找表(ROM ) 的字长。为分析方便, 近似认
为p (x ) 为均匀分布, p (x ) ==, 若
x m ax -x m in L ∃A
x k -1≤x ≤x k , 输出为y k , 量化误差Ε=x -y k , 即Ε(K T ) =x (K T ) -y (K T ) , 量化噪声功率N 为
。
图3是一个行波型超声电机驱动电源的设计实例, 整个系统产生AB 两相正弦功率信号, 其频率、相位差、幅度均可调。其中虚线框内部分采用一片现场可编程门阵列(FPGA ) 来实现。相位差的调整通过相差寄存器和一个加法器实现。相位寄存器的输出对查找表A 寻址的同时, 加上相差寄存器的值对查找表B 寻址, 产生B 相信号。系统初始化时由单片机将频率信息和相位差信息分别输入FPGA 即可开始工作, 由于超声电机工作频率在20～80kH z 的范围内, 取参考频率f c 为256kH z , 产生的最高频率为80kH z , n =18, m =13, 系统频率分辨率为1 H z , 相位分辨率与查找表的规模有关, 此处为360°213, 约为01044°。低通滤波器可采用多个不同截止
N =Ε(K T ) =
2
L
2
∫[x (K Y ) --∞
∞
y (K T ) ]p (x ) d x =
∑∫
K =0L
x K
x K +1
(x -y K ) 2p (x ) d x =(x -y K ) 2
L
∑∫
K =0
x K
x K +1
2
d x =L ∃A 12=, N =因正弦L 3L 2
式中 ∃A =信号功率S =
2
2
, 针对不同频率段选用不同截止频率, 如果此电源是用来驱动某一给定的电机, 由于电机工作频率范围较小, 通常是几千赫兹, 此时可采用一个通带较小的带通滤波器。通过这些措施,
2
, 则量化信噪比
2
10lg =10lg ≈1. 76+10lg (2D ) 2≈
N 2
1176+6. 02D (dB )
式中D 为8, 则量化信噪比为50dB 。
204压 电 与 声 光2002年
312 数模转换器的影响
由于数模转换器的输出是一系列矩形波, 而不是冲击序列, 即相当于不是理想的采样。而是平顶采样, 其原理如图4所示。
即
F s (Ξ) =
T
∑F (Ξ-K
K 8) (K =0, 1, …)
F o (Ξ) =A TQ (Ξ) F s (Ξ) =
) A S a (F (Ξ-K 8)
2∑K
式中 A 为矩形波幅值。同时由于数模转换器的非线性, 使输出存在许多谐波及其混叠, 图5是此设计在输出最高频率时DD S 系统输出信号的频谱图。可见, 即使采用了平滑滤波器, 仍有部分谱线无法滤除, 这是噪声的一个重要来源。如果不同频段采用不同截止频率的滤波器或采用带通滤波器, 则能有效
图4 平顶采样过程
的改善输出信号的信噪比
。
图5 DD S 输出信号频谱
4 结束语
作者根据以上方案已实际制作出一台驱动电源, 其频率分辨率达1H z , 由于两路滤波器存在一定不对称性, 使两相信号有一定的附加相位差, 经测定此相位差小于1. 5°。
参考文献:
[1][2][3]
魏守水. 超声马达的驱动及其控制技术[D ]. 南京:南
京航空航天大学, 20001
上羽贞行, 富川义郎. 超声波马达理论与应用[M ]. 上海:上海科学技术出版社, 1998.
钱学荣. 直接数字频率合成及其研究[J ]. 南京邮电学院学报, 1997, 17(1) :1032106.
第24卷第3期
2002年6月
压 电 与 声 光
P IEZ O EL ECTR I CS &A COU STOO PT I CS
. 24N o . 3V o l June 2002
文章编号:100422474(2002) 0320202203
基于DD S 的超声电机驱动电源
周 斌, 李志钧, 赵淳生
(南京航空航天大学超声电机工程研究中心, 南京210016)
摘 要:传统的行波超声电机驱动电源通常只能固定相位差调频率或固定频率调相位差, 不能全面的满足行波超声电机控制的要求。文章提出了一种新的方案, 这种新的超声电机驱动电源, 能产生两相可调频率, 可调相位差及幅度的正弦信号。运用作者新的方案, 解决了以往超声电机驱动电源只能调电压和调频率的缺点, 而同时运用三种手段对超声电机进行调整, 使各种型号的超声电机都能调整到一个良好的工作状态, 从而提供对超声电机进行精确控制的基础。
关键词:驱动电源; DD S ; 超声电机
中图分类号:TM 35916 文献标识码:A
A D r i v i n of se on DD S
i n , I i -jun , ZHAO Chun -sheng
(U otor Engineering Research Center , NUAA N anjing , N anjing , 210016China )
Abstract :In traditi onal driving pow ers fo r traveling w ave type ultras on ic mo to rs , on ly frequency can be adjusted .
. In th is paper , a ne w p ro ject is T hese driving pow ers canno t comp letely m eet the needs of con tro lling ultras on ic mo to r
p resen ted in w h ich a ne w type of driving pow er can p roduce two phase sin signals , the frequencies , phase differences and amp litudes of w h ich can be all adjusted . W ith the ne w type driving pow er , all k inds of traveling w ave type ultra 2. s on ic mo to rs can be adjusted to good wo rk ing states
Key words :driving pow er ; DD S ; ultras on ic mo to r
1 引言
超声电机是近20年来出现的一种驱动装置。它
利用压电材料的逆压电效应, 将电能转换为振动机械能, 再依靠摩擦驱动转子作旋转或直线运动[1]。
超声电机具有低速大扭矩、运动精确、不受电磁干扰、断电自锁、响应快等优点[2], 所以在最近十几年里, 从理论到应用都有了迅速的发展。各国都纷纷对其进行研究, 国内如南京航空航天大学、清华大学、浙江大学等多家单位也对其进行了研究。其中, 南京航空航天大学超声电机工程研究中心研制的行波型系列超声电机已基本达到产业化的要求。
行波超声电机的调速方法主要有调压调速、调频调速、调相调速等。调压调速具有线性调速的优点, 但低速时转矩小、死区大。调频调速具有响应快, 易于实现低速启动的优点, 但有一定的非线性。调相调速具有换向运动平滑, 可实现柔顺控制的优点, 但
低速启动困难。本文针对超声电机的调速特点, 提出了一种综合上述三种方法的调速驱动电源的新方案, 人们可以在此基础上通过编程, 对电机进行智能控制, 以达到电机运转的最佳性能。
2 基本原理及方案构成
本方案主要由信号发生器和功放组成。调压由功放实现, 调频及调相由信号发生器实现。
传统的精确信号发生器主要通过锁相环实现(见图1) , 其输出频率f o =N f R , 要实现频率连续可调较困难, 且当需要输出两相信号时
, 其相差较难控制。
图1 锁相环原理框图
收稿日期:2001208202
作者简介:周斌(19762) , 男, 江苏人, 硕士, 研究方向:超声电机的驱动与控制。
第3期周 斌等:基于DD S 的超声电机驱动电源203
本文根据采样定理, 采用直接数字合成(DD S ) 法, 较好的解决了这些问题, 其频率调节的主要原理如图2所示。其中, f c 为基准频率, 通常由晶振产生。f o 为输出频率。查找表(ROM ) 中存放了一个周期的正弦函数, 相位寄存器和加法器构成一个累加器, 其累加值为M , 累加频率为f c , 累加器对查找表进行寻址。当寻址完一个周期正弦函数的时间T o =(2n 2n ) f c ,
改变M 的值即可调整M T c ) 即f o =(M
可尽可能减小谐波及其象频的噪声。由于滤波器相位特性较差, 所以两路滤波器要求对称性好, 尽量减小由此引起的相位误差。功放采用乙类放大器, 进行功率放大, 并实现幅度的调整。
, 且频率变化时相位连续。查找表出来的数据经数模转换器及低通滤波器后即为我们所需的信号(应用采样定理) 。由采样定理知, f c ≥2f 应用中一般取f c =3f
o m ax
o m ax
, 实际
。
3 性能分析
2 DD S 原理框图
由于DD S 是整个系统的核心, 为此有必要讨论和分析它的性能, DD S 的性能主要受相位舍位噪声, 幅度量化误差, 数模转换器非线性的噪声的影响[3]。已有研究表明, 相位舍位引起的噪声可以忽略。故此主要分析另两种噪声来源。311 幅度量化误差
累加器输出为n 位, 但查找表的寻址位数m 一般要比n 小, 如果我们需要频率分辨率为1H z 、最高频率为50M H z 的信号发生器, m =n , 则需要一个150M 字节的作为查找表, 这是很难实现的, 所以, 我们一般取累加器的高m 位来寻址, m 为～14位。这样会引入一些相位噪声, 但是在大多
由于ROM 的有限字长效应, 引起了幅度量化误差, 设正弦信号幅度为A , L 为量化电平数, L =2D , D 为查找表(ROM ) 的字长。为分析方便, 近似认
为p (x ) 为均匀分布, p (x ) ==, 若
x m ax -x m in L ∃A
x k -1≤x ≤x k , 输出为y k , 量化误差Ε=x -y k , 即Ε(K T ) =x (K T ) -y (K T ) , 量化噪声功率N 为
。
图3是一个行波型超声电机驱动电源的设计实例, 整个系统产生AB 两相正弦功率信号, 其频率、相位差、幅度均可调。其中虚线框内部分采用一片现场可编程门阵列(FPGA ) 来实现。相位差的调整通过相差寄存器和一个加法器实现。相位寄存器的输出对查找表A 寻址的同时, 加上相差寄存器的值对查找表B 寻址, 产生B 相信号。系统初始化时由单片机将频率信息和相位差信息分别输入FPGA 即可开始工作, 由于超声电机工作频率在20～80kH z 的范围内, 取参考频率f c 为256kH z , 产生的最高频率为80kH z , n =18, m =13, 系统频率分辨率为1 H z , 相位分辨率与查找表的规模有关, 此处为360°213, 约为01044°。低通滤波器可采用多个不同截止
N =Ε(K T ) =
2
L
2
∫[x (K Y ) --∞
∞
y (K T ) ]p (x ) d x =
∑∫
K =0L
x K
x K +1
(x -y K ) 2p (x ) d x =(x -y K ) 2
L
∑∫
K =0
x K
x K +1
2
d x =L ∃A 12=, N =因正弦L 3L 2
式中 ∃A =信号功率S =
2
2
, 针对不同频率段选用不同截止频率, 如果此电源是用来驱动某一给定的电机, 由于电机工作频率范围较小, 通常是几千赫兹, 此时可采用一个通带较小的带通滤波器。通过这些措施,
2
, 则量化信噪比
2
10lg =10lg ≈1. 76+10lg (2D ) 2≈
N 2
1176+6. 02D (dB )
式中D 为8, 则量化信噪比为50dB 。
204压 电 与 声 光2002年
312 数模转换器的影响
由于数模转换器的输出是一系列矩形波, 而不是冲击序列, 即相当于不是理想的采样。而是平顶采样, 其原理如图4所示。
即
F s (Ξ) =
T
∑F (Ξ-K
K 8) (K =0, 1, …)
F o (Ξ) =A TQ (Ξ) F s (Ξ) =
) A S a (F (Ξ-K 8)
2∑K
式中 A 为矩形波幅值。同时由于数模转换器的非线性, 使输出存在许多谐波及其混叠, 图5是此设计在输出最高频率时DD S 系统输出信号的频谱图。可见, 即使采用了平滑滤波器, 仍有部分谱线无法滤除, 这是噪声的一个重要来源。如果不同频段采用不同截止频率的滤波器或采用带通滤波器, 则能有效
图4 平顶采样过程
的改善输出信号的信噪比
。
图5 DD S 输出信号频谱
4 结束语
作者根据以上方案已实际制作出一台驱动电源, 其频率分辨率达1H z , 由于两路滤波器存在一定不对称性, 使两相信号有一定的附加相位差, 经测定此相位差小于1. 5°。
参考文献:
[1][2][3]
魏守水. 超声马达的驱动及其控制技术[D ]. 南京:南
京航空航天大学, 20001
上羽贞行, 富川义郎. 超声波马达理论与应用[M ]. 上海:上海科学技术出版社, 1998.
钱学荣. 直接数字频率合成及其研究[J ]. 南京邮电学院学报, 1997, 17(1) :1032106.