基于DDS的超聲波電機(jī)測(cè)試電源設(shè)計(jì)

　　參考文獻(xiàn)的DDS設(shè)計(jì)，將一個(gè)周期的矩形波幅值進(jìn)行2n等分后按順序存于一個(gè)表格中，用高頻時(shí)鐘fclk依次按表中地址順序讀取其數(shù)據(jù)(幅值)。利用相位累加器可以每隔M個(gè)地址，讀一個(gè)幅值信息。矩形波頻率正比于輸入時(shí)鐘頻率和相位增量M之積，即為基頻時(shí)鐘fclk／2n的M倍。通過(guò)調(diào)節(jié)步距M(頻率控制字)可調(diào)節(jié)信號(hào)的頻率。調(diào)節(jié)首次所讀ROM表的地址，可調(diào)節(jié)矩形波的相位，稱(chēng)該調(diào)節(jié)參數(shù)為相位控制字。若ROM查找表中0，1各占一半則可得到頻率、相位連續(xù)可調(diào)的方波信號(hào)；改變表中1的比例，就會(huì)得到不同脈寬的矩形波。若能從外部調(diào)節(jié)1的比例，就生成了一路頻率、相位、占空比可調(diào)的PWM信號(hào)。由于表中只有兩種數(shù)O和1，且均連續(xù)出現(xiàn)，因而可用比較器替換ROM表，將原來(lái)的地址發(fā)生計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值劃分為2部分，一部分對(duì)輸出信號(hào)清零，另一部分對(duì)其置1。2種方案相比，后者大大節(jié)約了FPGA資源。RTL級(jí)原理圖如圖2所示。

　　程序設(shè)計(jì)中的FWORD[16．．O]為原理描述中的頻率控制字M，連接于32位計(jì)數(shù)器F32[32．．6]，其輸出信號(hào)FOUT的頻率按如下公式計(jì)算FFOUT=fclk／222·FWORD，頻率分辨率為Fmin=25fclk／222，最大輸出頻率為Fmax=Fmin FWORDmax。當(dāng)系統(tǒng)頻率fclk=50MHz時(shí)，F(xiàn)min=0．745 Hz，F(xiàn)max=97．648 kHz，即輸出頻率可在O．7～97．6 Hz之間調(diào)節(jié)。相位控制字為9位，輸出信號(hào)FOUT的相位可按如下公式計(jì)算：POUT=360°／2°×PWORD，最小分辨率為360°／2°=0．7°。DIEIN[8．．O]為占空比(死區(qū))調(diào)節(jié)控制字輸入，占空比按計(jì)算公式：(29-DIEIN)／210x1 00％，最大占空比為50％，最小接近于O，占空比的調(diào)節(jié)以使圖一H橋同側(cè)的兩個(gè)MOS管剛好不同時(shí)導(dǎo)通為度(故占空比不能大于50％)，占空比太小會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率降低。

　　以單相調(diào)頻調(diào)相PWM信號(hào)設(shè)計(jì)作為底層元件，利用VHDL的結(jié)構(gòu)化描述方式(例化語(yǔ)句)，按相位要求將4個(gè)單相調(diào)頻調(diào)相信號(hào)DDS元件設(shè)置成不同相位來(lái)實(shí)現(xiàn)。相位字PWORD為9位，U0：PWORD=O，初始相位=0；U2：PWORD=“100000000”，初始相位為180°；U1元件的初始相位PWOR-D，U2元件的初始相位為PWORD+“00000000”，這就實(shí)現(xiàn)了UO和U1相位差為PWORD，U0和U2，U1和U2相位差各為180°，從而實(shí)現(xiàn)四路調(diào)頻調(diào)相PWM信號(hào)設(shè)計(jì)。

　　通過(guò)調(diào)節(jié)FWORD、PWORD及DIEIN來(lái)分別調(diào)節(jié)四路輸出信號(hào)的頻率、相位差、四路輸出信號(hào)的占空比。仿真結(jié)果如圖3所示。由仿真圖可知超前90°和滯后90°得到的四路相序正好相反，若用其驅(qū)動(dòng)圖1的4個(gè)開(kāi)關(guān)，得到兩相互差90°的信號(hào)，一個(gè)為A相超前于B相，另逐個(gè)為A相滯后于B向。用其驅(qū)動(dòng)USM，在不改變電機(jī)連線的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)相位差PWORD，方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向控制。

　　3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

　　將上述四路控制信號(hào)下載于FPGA中，再經(jīng)過(guò)資料介紹的驅(qū)動(dòng)隔離模塊后施加于圖1的功率控制電路，通過(guò)示波器測(cè)得USM的A、B兩相波形如圖4所示。將上述電路獲得的信號(hào)應(yīng)用于USM45超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)中，該電機(jī)所要求的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為45．8 kHz，相位差為90°，峰峰值可達(dá)300 V。將其頻率控制字設(shè)定為FWORD=x0F000，相位控制字為PWORD=x180(或x080)，死區(qū)時(shí)間DIEIN=x33～xFF之間調(diào)整，成功地驅(qū)動(dòng)了USM 45電機(jī)。運(yùn)行10 min左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，通過(guò)將FWORD調(diào)小至xED00，即信號(hào)頻率為45．2 kHz時(shí)，電機(jī)速度又上升到開(kāi)始時(shí)的值(65轉(zhuǎn)／mi n)。超聲波電機(jī)一般工作在定子導(dǎo)納2頻率特性的諧振和反諧振點(diǎn)之間。隨電機(jī)運(yùn)行溫度的升高，導(dǎo)致諧頻率和反諧振頻率約有1．4 kHz的變化。由于USM45電機(jī)功率小，額定功率只有2 W，且是空載測(cè)試，因而溫升較小，諧振頻率的變化也較小(只有大約0．6 kHz的變化)。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　由FPGA按照相位累加振蕩器的方法產(chǎn)生的四路調(diào)頻、調(diào)相PWM信號(hào)，具有較高頻率分辨率，在保持相位連續(xù)的前提下，能實(shí)現(xiàn)快速頻率切換。該信號(hào)不但在外部的逆變電路作用下，成功地對(duì)USM45電機(jī)進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)和測(cè)試，還可通過(guò)外加專(zhuān)用的L298N型驅(qū)動(dòng)芯片方便地應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)以及步進(jìn)電機(jī)的調(diào)頻調(diào)速和直流電機(jī)的PWM調(diào)速。