摘要：介紹了一種高性能的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路。該電路使用直接數(shù)字頻率全成器（DDS）作為信號源，通過高壓運(yùn)放將信號放大到峰-峰值為250V，用于驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)；借助溫度傳感器采集電機(jī)溫度變化，利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控超聲電機(jī)的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：超聲電機(jī) 直接數(shù)字頻率合成器（DD） 溫度傳感器 高壓運(yùn)放

超聲電機(jī)是一種基于壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)的新型電機(jī)。與一般電磁電機(jī)相比，超聲電機(jī)能直接輸出低轉(zhuǎn)速大力矩，且瞬態(tài)響應(yīng)快（可達(dá)ms量級）、定位精度高（可達(dá)nm量級），非常適合取代傳統(tǒng)的伺服電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)。目前超聲電機(jī)已廣泛應(yīng)用于照相機(jī)及攝像機(jī)的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，而且在精密儀器以及航空航天領(lǐng)域也有許多應(yīng)用。

盡管超聲電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于超聲電機(jī)對于驅(qū)動(dòng)信號有著較高的要求，所以目前國內(nèi)外開發(fā)的超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及控制電路普遍存在電路體積大、控制性能單一等問題。大多數(shù)超聲電機(jī)的控制特性研究還是基于與超聲電機(jī)配套的普通驅(qū)動(dòng)電路，難以利用計(jì)算機(jī)方便地進(jìn)行超聲電機(jī)的控制特性研究。

針對上述問題，應(yīng)用目前市面上流行的DDS芯片AD9850和高壓運(yùn)放PA08開發(fā)出了一種高性能的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路。該電路可以通過串行接口用教育處機(jī)實(shí)施控制和參量采集，并且信號的頻率及相位控制精度高；可以在溫度傳感器的控制下實(shí)現(xiàn)信號頻率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)電路中還預(yù)留了4路模擬、數(shù)字通用傳感器接口。

1 超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路的工作原理

由超聲電機(jī)的工作機(jī)理[1]可知，大部分超聲電機(jī)的運(yùn)行需要相關(guān)的驅(qū)控制電路提供兩路頻率相同、相位差為90度（或可調(diào)）、頻率為20kHz～100kHz、輸出信號峰-峰值為100～350V、功率為0.1～10W的交變信號。此外，由于超聲電機(jī)的最佳工作頻率是由系統(tǒng)的機(jī)械共振頻率決定的，而以壓電元件為主的振動(dòng)系統(tǒng)的共振頻率會(huì)隨著外界參數(shù)（如溫度、預(yù)壓力等）的改變發(fā)生變化，因此一款好的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路必須能夠很好地對系統(tǒng)共振頻率的變化實(shí)施跟蹤，從而確保電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 電路的基本構(gòu)成和原理

超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路主要由以下5個(gè)部分組成：DDS信號發(fā)生單元、信號隔離單元、信號功率放大單元、溫度傳感器單元、單片機(jī)主控和接口控制單元（參見圖1）。

主控單片機(jī)

DDS信號發(fā)生單元產(chǎn)生的兩路獨(dú)立的正弦信號，兩路信號間的相位差可以在0～360度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)；兩路信號分別經(jīng)RC低通濾波和三極管射極跟隨送至高速光耦，然后經(jīng)由高壓運(yùn)放放大至250V,用于驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)；超聲電機(jī)工作一段時(shí)間后溫度會(huì)發(fā)生變化，該溫度由溫度傳感器采集送至主控單片機(jī)處理；單片機(jī)將溫度數(shù)據(jù)通過串行口傳到PC機(jī)，由PC機(jī)根據(jù)控制模型將修正后的驅(qū)動(dòng)頻率控制字傳回單片機(jī)，或者由單片機(jī)根據(jù)片內(nèi)預(yù)存的溫度-頻率表修正DDS的信號發(fā)生頻率。

考慮到未來擴(kuò)展的需要，系統(tǒng)預(yù)留出4路A/D及通用I/O復(fù)用端口，用來和測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的光電編碼器、應(yīng)變片力矩傳感器等接口。

以下分別就各單元的組成和功能作簡要介紹。

2.1 單片機(jī)主控單元

主控單片機(jī)采用PIC16F73A型單片機(jī)（參見圖2）。該款單片機(jī)20MHz的頻率下以5MIPS工作，片內(nèi)帶有4K FALSH程序存儲(chǔ)器，片上集成有3路定時(shí)器、1路USART(可實(shí)現(xiàn)RS232通訊)、5路8-bitA/D、路SPI（I2C）以及WDT（看門狗）。該單片機(jī)負(fù)責(zé)兩路DDS的控制（占用RBO～RB7、RC0～RC2、RC5）和串行接口數(shù)字式溫度傳感器的控制（采用I2C總線，占用RC3、RC4），并與PC機(jī)通過RS232串行口交換數(shù)字（占用RC6、RC7），同時(shí)該單片機(jī)還預(yù)留出4只管腳的接口（RA0～RA3），可以工作在通用I/O或者A/D方式，便于未來與其它傳感器或控制器接口。

一路DDS信號發(fā)生單元

2.2 DDS信號發(fā)生單元

DDS信號發(fā)生單元使用兩片AD9850直接數(shù)字頻率合成器[2]（參見圖3，圖3為其中一路，另一路與之完全相同）。該款DDS具有較高的性價(jià)比，可以產(chǎn)生最高至62.5MHz的信號，32bit頻率分辨率（即在125MHz時(shí)鐘下可以達(dá)到0.0291Hz），相位直接控制精度達(dá)11.25度，可以采用8位并行或串行方式傳輸總長40bit的控制字。為了實(shí)現(xiàn)頻率的快速更新，電路設(shè)計(jì)中采用了并行的傳輸方式，這樣就能用5個(gè)字節(jié)完成DDS頻率及相位控制字的更新。而且為了節(jié)省總線資源，兩枚DDS芯片共用8-bit數(shù)據(jù)