关键词： 超声波电机 直接数字频率合成
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：
超声波电机（USM）是二十世纪七○年代发展起来的一种新型电机，发展历史只有30多年，但是超声波电机具有低速大转矩、断电自锁，无噪音，无电磁干扰等许多电磁马达所不能及的优点，所以发展十分迅速。
超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将弹性材料的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动的。由于压电陶瓷的特性，以及定子和转子间的摩擦特性受温度变化影响大，且存在严重非线性，因此在控制精度要求较高的场合不宜使用传统PID控制，而应使用自适应控制和智能控制。通常这类控制算法比较复杂，需要使用DSP芯片来完成。由于DSP芯片输出的控制信号是数字信号，而超声波电机需要的驱动信号是两路具有一定幅值，频率，和相位差的正弦信号，因此需要通过驱动器来完成这种转换。
超声波电机的速度控制方法与特点：
超声波电机常用的速度控制方式有调频、调相和调幅三种。各有优缺点。调频是一种较常用的超声波电机调速方法，但是电机谐振点随着温度变化而变化，导致了电机转速随温度变化，而且电机通常不能工作在最佳频率点上，不能获得最大振幅，效率较低。图1给出了USR-60型超声波电机在不同温度下的转速频率特性。调相方式是在-90°～ +90°之间改变两正弦波驱动电压的相位差，这种调速方式可以在较大范围内调节电机转速，还可以方便地改变电机旋转方向。但是，在零相位差附近存在死区，而且死区随负载力矩的增加而增加。调幅也是一种超声波电机调速方法，具有线性好，速度变化平稳的优点，但在低速时性能不佳。而且常用的PWM（Pulse-Width Modulation）驱动器一般不具有调幅能力，所以较少采用
3 对超声波电机驱动器的技术要求：
从上面对超声波电机速度控制方式的讨论可知，如果需要在较大范围内精确控制超声波电机的转速，仅使用某一种速度控制方式是很难实现的。综合使用上面三种速度控制方式则是较好的选择。因此，理想的超声波电机驱动器应该具有如下一些特点：1：输出两路正弦波。2：两路正弦波频率在35KHz～45KHz之间连续可调（对于不同型号超声波电机可能稍有变化）。3：两路正弦波驱动电压的相位差在-90°～+90°之间连续可调，4：两路正弦波电压有效值在0～120V之间连续可调。5：具有较高的频率、相位、幅值控制精度。
4 目前常用超声波电机驱动器特点与不足：
目前超声波电机驱动器大多使用PWM驱动方式。图3给出了这类驱动器的结构原理图。从图中可以看出，该控制器使用方波替代正弦波来简化调频和调相过程。由于超声波电机工作在容性状态，再加上驱动电路大多串联电感来提高功率因数，所以电机的实际驱动电压为近似正弦波。图2是该控制器输出级输出电压的实测结果。这种控制器可以方便的实现调频和调相，而且精度较高。但调幅比较困难，有些资料提出使用改变占空比来间接调幅，但存在输出电压幅值与占空比不成比例、调节范围小和控制精度低等问题，因此很少采用。此外PWM驱动器输出电压中含有较多谐波成份，这会增加电机温升。
5 基于DDS技术的超声波电机驱动器原理与特点：
本文提出的超声波电机驱动器是以直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS）技术为基础的，因此有必要对DDS技术做一简单介绍。DDS技术是近几年来迅速发展起来的频率合成技术，它采用全数字化技术，具有集成度高、体积小、相对带宽宽、频率分辨率高、相位连续性好、可编程控制和控制灵活等优点，并能直接与DSP接口构成智能化频率源。
DDS是利用采样定理，通过查表法产生波形的。图4是DDS的基本电路原理框图。
相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每次时钟脉冲fS到来，加法器就将频率控制字k与累加寄存器输出的累加相位数据相加，并把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上次时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以便加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。因此，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。
用相位累加器输出的数据作为正弦波形存储器（ROM）的相位取样地址，就可以把存储在波形存储器内的正弦波形采样值通过查找表查出。该采样值经D/A转换器转换为要求合成频率的正弦信号。图中的低通滤波器用于滤除不需要的采样分量，以便得到纯净正弦波信号。图5是采用DDS技术合成的正弦信号实测结果。本文提出的超声波电机驱动器选用AD公司最近推出的DDS芯片AD9852为核心。该器件内含48位频率累加器、48位相位累加器、正余弦波形表、12位正交数模转换器以及调制和控制电路,该芯片能够在单片上完成频率调制、相位调制和幅度调制。由于AD9852内部时钟频率最大可达300MHz，根据奈奎斯特采样定理，其输出信号频率上限为150MHz。以上指标完全满足驱动器对DDS芯片精度和带宽的要求。
图6是以DDS技术为基础的超声波电机驱动器原理框图。DSP芯片根据需要输出的驱动电压的频率、相位和幅值计算出所需的频率控制字、相位控制字和幅值控制字，并把这些控制字通过串行或并行方式写入两片AD9852。AD9852按照控制字的要求输出两路正弦信号，再经过功率放大和变压器升压后驱动超声波电机工作。两路低通滤波电路和功率放大电路完全相同，它们对输入信号的相移也相同，不会对驱动器产生不利影响，因为影响超声波电机转速的是两相驱动电压的相位差。
6 驱动器控制精度分析：
AD9852的频率控制字长为48位，其输出信号可以编程控制的频率精度Δf为：
Δf＝300×106／248＝1.066×10－6
AD9852的相位控制字长为14位，其输出信号可编程控制的相位精度
ΔP为：
ΔP＝π／214＝1.917×10－4 弧度
AD9852的数模转换器为12位，其输出信号可编程控制的幅值精度ΔA为： ΔA＝1／212＝2.441×10－4
以上是AD9852的理论控制精度，实测显示，信号经过功率放大后频率精度和相位精度仍可以接近理论值。幅值精度下降较大，但是仍然可以满足超声波电机的控制要求。
7 仿真与测试结果：
为验证超声波电机控制器设计方案的可行性，实际工作中对驱动器进行了仿真和测试。图7是使用Pspice软件对低通滤波电路和功率放大电路进行仿真的结果。从图中可以看到，在输入信号频率为38.8KHz时电机发生串联谐振，阻抗最小，驱动器输出电阻上压降变大，因而输出电压下降。但功率运放PA45驱动能力强，输出电阻小，因此该压降只有1V，相对误差小于0.6 %,不会对超声波电机的调幅调速产生影响。
仿真时，使用了下面的超声波电机等效电路：
8 结 论：
基于DDS技术的超声波电机驱动器是一种可编程控制的新型驱动器，不仅具有调频、调相和调幅能力而且具有控制精度高，输出信号为标准正弦波的特点。其具有的调幅能力和输出标准正弦信号的特点是一般PWM驱动器所不具备的。
参 考 文 献[/ B]
[1]: 王季秩，曲家骐'执行电动机'机械工业出版社，1997。
[2]: 上羽贞行，富川义朗著，杨志刚，郑学伦译'超声波马达理论与应用'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]: 褚国伟，金龙，王心坚，施一峰，翟晓军，胡敏强'基于DSP的超声波电
机控制系统'东南大学电气工程系。
[8]: 潘松，黄继业，曾毓'SOPC技术实用教程'清华大学出版社，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，孙思先，徐银梅，黎多文'超声波电动机及其驱动' 微特电机，1994.5。
[11]: 石 雄，'基于DDS技术的自适应米波雷达自动频率控制系统'电子技术应用，2004.5。
[12]: 姜田华，'实现直接数字频率合成器的三种技术方案'电子技术应用，2003.11。
