探討分析新型電機(jī)設(shè)施的性質(zhì)

時(shí)間：2020-01-05作者：深圳市順昌馬達(dá)廠瀏覽：464

探討分析新型電機(jī)設(shè)施的性質(zhì)

超聲電機(jī)是一種將壓電振子在超聲頻域（≥20kHz）的振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)，它應(yīng)用壓電元件產(chǎn)生的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)體運(yùn)動(dòng)。根據(jù)超聲電機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，在多數(shù)情況下，由兩相頻率幅值相等、具有一定相位差的高頻交變電壓信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電振子，使得電機(jī)正常工作。因此，超聲電機(jī)的性能在一定程度上由驅(qū)動(dòng)電源的性能決定。(線切割，中走絲）一般說(shuō)來(lái)，驅(qū)動(dòng)電源除應(yīng)可產(chǎn)生電機(jī)工作需要的兩相交變信號(hào)外，還可以方便地調(diào)節(jié)頻率、相位、幅度等參數(shù)，以便實(shí)時(shí)跟蹤控制。

　　傳統(tǒng)的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源主要是利用諧振電路或者計(jì)算機(jī)控制的定時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生方波信號(hào)。通常對(duì)一定變化范圍內(nèi)的頻率，先固定諧振電路的電容，而通過(guò)調(diào)整電阻，達(dá)到改變諧振頻率的目的。這種信號(hào)發(fā)生電路的頻率調(diào)節(jié)范圍不夠?qū)挘以趯?shí)現(xiàn)超聲電機(jī)的閉環(huán)控制時(shí)，難以提高頻率調(diào)節(jié)的分辨率。為了進(jìn)一步推動(dòng)超聲電機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，設(shè)計(jì)頻率方便可調(diào)的數(shù)字化驅(qū)動(dòng)電源是亟待解決的重要課題之一。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）以其頻率分辨率高、頻率捷變快、頻率穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，成為改進(jìn)傳統(tǒng)電源(電源建設(shè)將向資源地轉(zhuǎn)移)的**選項(xiàng)。本文將以DDS和單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一個(gè)頻率相位幅值均可調(diào)的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。

　　1DDS技術(shù)原理和AD9850

　　直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)是上世紀(jì)60年代末出現(xiàn)的*三代頻率合成技術(shù)，以Nyquist時(shí)域采樣定理為基礎(chǔ)，在時(shí)域中進(jìn)行頻率合成。DDS具有相對(duì)帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較短（可小于20ns），頻率分辨率可以做到很高（典型值為0.001Hz）等優(yōu)點(diǎn)。另外，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)，頻率、相位、幅度都可以實(shí)現(xiàn)程控，通過(guò)更換波形數(shù)據(jù)可以輕易實(shí)現(xiàn)任意波形功能?？偟膩?lái)說(shuō)，新一代的直接數(shù)字頻率合成器采用全數(shù)字的方式實(shí)現(xiàn)頻率合成，與傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比，具有非常優(yōu)越的性能。

　　基于DDS技術(shù)，AD公司已研制成功多種信號(hào)發(fā)生器芯片，本文將以AD9850為應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行討論。圖1給出了該芯片的功能框圖。AD9850采用**的CMOS技術(shù)，較高時(shí)鐘為125MHz，可產(chǎn)生正弦波和方波信號(hào)，主要由可編程DDS系統(tǒng)（包括相位累加器和正弦查找表ROM）、**數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和高速比較器三部分組成，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成，并具有時(shí)鐘產(chǎn)生功能。AD9850包含40位頻率/相位控制字，可通過(guò)串行或并行方式輸入器件，其中32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于掉電控制，2位用于選擇工作方式。由于AD9850在有一個(gè)**的時(shí)鐘源作為參考頻率源時(shí)，可以產(chǎn)生一個(gè)頻譜很純的頻率和相位可編程的模擬正弦波輸出，可以方便地通過(guò)微機(jī)進(jìn)行接口和控制，因此非常適合用于超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源中。

　　2驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

　　2.1硬件電路部分

　　基于DDS技術(shù)的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源主要由三個(gè)部分組成：DDS信號(hào)發(fā)生單元、信號(hào)隔離單元、信號(hào)放大單元。

　　2.1.1信號(hào)發(fā)生單元DDS信號(hào)發(fā)生器由單片機(jī)89C51、并行接口芯片825**和2片AD9850構(gòu)成，圖3給出了該部分的電路簡(jiǎn)圖。單片機(jī)選用ATMEL公司的89C51芯片，具有4kbyte的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、16個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的輸入/輸出管腳、2個(gè)外部中斷和2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。825**是Intel公司生產(chǎn)的通用可編程并行I/O接口芯片，具有三個(gè)8位數(shù)據(jù)口（A口、B口和C口）和兩組控制器（A組和B組）.89C51的P0口與8255的數(shù)據(jù)總線相連，用于傳送相位控制字。P0口還與外部鎖存器74LS373的輸入端相連，用于控制8255的地址輸入線A0、A1，以選中相應(yīng)的數(shù)據(jù)口工作。另外，89C51采用線選法與8255的片選線相連，只要P2.7=0的地址都可選中8255工作。8255的A口和B口分別與兩片AD9850的8位總線相連，以發(fā)送數(shù)據(jù)。PC02PC3分別與兩片AD9850的字輸入時(shí)鐘信號(hào)W2CLK和頻率較新時(shí)鐘信號(hào)FQ2UD相連，以控制頻率相位控制字的寫(xiě)入。

　　2.1.2信號(hào)隔離單元該單元選用HP公司生產(chǎn)的模擬光耦器HC2NR200，該器件具有較高的線形度，可用于傳輸帶寬大于1MHz的模擬信號(hào)。芯片的原理構(gòu)成所示，由一個(gè)發(fā)光二極管和兩個(gè)光電二極管組成。

　　由HCNR200構(gòu)成的高速低功耗模擬隔離電路所示（僅以一路信號(hào)傳輸為例，另一路與此相同），為便于說(shuō)明隔離原理，將光耦器以分立元件的形式進(jìn)行表現(xiàn)。圖中Q1、Q3為2N3906PNP型晶體管，Q2、Q4為2N3904NPN型晶體管。經(jīng)測(cè)定，該電路可傳輸帶寬高達(dá)1.5MHz的信號(hào)，傳輸比Vout/in=R2/R1，*適合用于傳輸超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

　　另外，為了消除二極管的導(dǎo)通壓降造成的交越失真，可在輸入端加一分壓電路以改善Q工作點(diǎn)，在輸出端加一濾波電路將直流分量濾除。

　　2.1.3信號(hào)放大單元

　　該單元選用BB公司生產(chǎn)的大功率運(yùn)放OPA541和變壓器構(gòu)成，具體電路（該部分亦只以一路說(shuō)明）.OPA541電源電壓可達(dá)正負(fù)40V，輸出峰值電流高達(dá)10A.由該器件組成的同相放大電路與升壓變壓器（升壓比為10，輸出電流2A）相連，分別連接超聲電機(jī)的A相、B相壓電振子（圖中僅給出A相），可直接驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)工作。

　　2.2軟件設(shè)計(jì)部分

　　該程序的功能是將外部輸入的頻率數(shù)據(jù)按照一定的協(xié)議和算法變換成DDS芯片（AD9850）所能接受的格式，并送出相應(yīng)的頻率相位控制信號(hào)，從而使函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生兩路相位可調(diào)、頻率可控的正/余弦信號(hào)。程序中單片機(jī)輸入頻率數(shù)據(jù)Fin與輸出頻率數(shù)據(jù)Fout之間的變換算法為：Fin=Fout32CLOCK其中CLOCK為外部參考時(shí)鐘（50MHz），Fin為輸入頻率控制字（十六進(jìn)制），Fout為輸出頻率值（十進(jìn)制）.

　　在并行工作方式下，AD9850通過(guò)8位總線D0～D7將外部控制字輸入到寄存器，在W2CLK的上升沿裝入**個(gè)字節(jié)，并把指針指向下一個(gè)輸入寄存器，連續(xù)5個(gè)W2CLK的上升沿讀入5個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)到輸入寄存器后，W2CLK的邊沿就不再起作用了。然后在FQ2UD上升沿到來(lái)時(shí)將這40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率/相位寄存器，這時(shí)DDS輸出頻率和相位較新一次，同時(shí)把地址指針復(fù)位到**個(gè)輸入寄存器以等待下一次的頻率/相位控制字輸入?？刂谱值牟⑿休斎霑r(shí)序圖略。假定某超聲電機(jī)較佳驅(qū)動(dòng)頻率為37kHz，相移為90o，則經(jīng)計(jì)算，W0、W1、W2、W3、W4的值分別是40H、00H、30H、7FH、24H，具體程序略。

　　3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

　　以DDS技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的該變頻驅(qū)動(dòng)電源經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，輸出信號(hào)頻率帶寬為20～50kHz，幅度可在正負(fù)250V之間調(diào)節(jié)變化，兩路信號(hào)相位差可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　用以驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的駐波型直線超聲電機(jī)（Φ10mm，高32mm，重15g），此時(shí)工作頻率37kHz，峰值電壓100V，輸出電流0.**，相位差為90o，速度為15mm/s，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)且無(wú)噪音。

　　超聲電機(jī)的實(shí)用化離不開(kāi)驅(qū)動(dòng)電源的發(fā)展，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)后，電路性能進(jìn)一步得到提高。應(yīng)用單片機(jī)完成外圍電路，使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)頻調(diào)相較加方便，并預(yù)留了與上位機(jī)的接口，為將來(lái)利用PC機(jī)直接驅(qū)動(dòng)和控制超聲電機(jī)提供了便利。應(yīng)用DDS技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)電源，促進(jìn)了驅(qū)動(dòng)電源向數(shù)字化和集成化方向發(fā)展，增強(qiáng)了電機(jī)的可控性，必將進(jìn)一步拓展超聲電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

 


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