基于DDS的超聲電機(jī)驅(qū)動電源

摘 要：一直以來，行波超聲電機(jī)驅(qū)動電源只能夠固定相位差調(diào)頻率亦或者是頻率調(diào)相位差，在控制行波超聲電機(jī)方面還存在較大的差距和漏洞。接下來本篇文章就基于這一點提出相對應(yīng)的解決方案，致力于讓超聲電機(jī)驅(qū)動電源不僅僅能夠產(chǎn)生兩相可調(diào)頻率，還可以調(diào)相位差及幅度的正弦信號。事實證明，該項舉措確實能夠取得良好的效果，盡最大程度的解決了超聲電機(jī)驅(qū)動電源原先存在的一系列問題，保證多種型號的超聲電機(jī)能夠持續(xù)有效的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動電源；DDS；超聲電機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.112

1 引言

現(xiàn)階段，超聲電機(jī)涵蓋于一般情況下屬于驅(qū)動裝置，它的運(yùn)行原理主要是依據(jù)壓電材料的逆壓電效應(yīng)，從而將內(nèi)部產(chǎn)生的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以此來驅(qū)動轉(zhuǎn)子持續(xù)運(yùn)動。這種驅(qū)動裝置往往速度較低、運(yùn)動擺動幅度較大、測量結(jié)果準(zhǔn)確、受電磁的干擾極小、靈敏程度較好。就目前的情況來看，超聲電機(jī)在市場當(dāng)中的應(yīng)用范圍越來越普及，使用價值越來越高，國內(nèi)許多專家學(xué)者也都對此進(jìn)行了深入的探討，其最終的目的就是要進(jìn)一步提高超聲電機(jī)的性能，進(jìn)而滿足社會發(fā)展和轉(zhuǎn)型的需求。值得特別注意的是，國內(nèi)一些名校也對這一方面進(jìn)行了深入的研究，并取得了一定的成就，其中的部分發(fā)現(xiàn)如行波型系列超聲電機(jī)已經(jīng)得到了社會的肯定，開始投入使用。該系列的超聲電機(jī)反應(yīng)的速度進(jìn)一步加快，能夠低速發(fā)動，但并非所有的運(yùn)動都是直線性的，也會出現(xiàn)非線性的情況。調(diào)相調(diào)速可以換向運(yùn)動平滑，操作控制具有一定的柔韌性，只是在低速啟動的情況之下所進(jìn)行的各項步驟較為繁瑣。接下來本篇文章主要針對超聲電機(jī)的調(diào)速情況來進(jìn)行細(xì)致的分析，運(yùn)用多種理念來打造一套全新的解決方案，便于操作和管理。下面談一談這項方案的主要內(nèi)容，以供大家參考。

2 基本原理及方案構(gòu)成

事實上，這套全新的解決方案主要集中在信號發(fā)生器以及功放這兩個方面。調(diào)壓由功放以及調(diào)頻和調(diào)相由信號發(fā)生器均已按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)完成。方案運(yùn)用直接數(shù)字合成法，盡最大程度的避免了以往處理方式的各項問題。其中，fc為基準(zhǔn)頻率，fo為輸出頻率。當(dāng)然，查找表當(dāng)中還有一個周期的正弦函數(shù)，累加器則由相位寄存器和加法器這兩個部分組成，累加器可以應(yīng)用查找表進(jìn)行尋址。當(dāng)尋址完一個周期正弦函數(shù)的時間To=（2n /MTc）即fo=（M /2n ）fc，便可以通過調(diào)整M數(shù)值來改變輸出的頻率，與此同時頻位也會保持連續(xù)。之后查找表顯示的一系列數(shù)據(jù)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器等模型便可以得出相應(yīng)的信號消息。除此之外，我們也可以利用采樣定理，即fc≥ 2fo max，但是在一般的操作過程當(dāng)中應(yīng)用的是fc=3 fo max。大多數(shù)情況之下，累加器輸出為n位，但查找表的尋址位數(shù)m往往比n小。當(dāng)信號發(fā)生器的頻率分辨率為1 赫茲且最高頻率為50 M赫茲時，就需要一個150M字節(jié)的ROM查找表，這同時也加大了計算和實施的難度系數(shù)。也正是基于這樣一個事實，在計算和應(yīng)用時一般取累加器的高m位來尋址。高校發(fā)明的行波型超聲電機(jī)驅(qū)動電源可以產(chǎn)生AB兩相正弦功率信號，各個方面都是可以根據(jù)實際情況的需求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。相位寄存器的輸出在對查找表A尋址的同時，還要加上相差寄存器的值對查找表B尋址，產(chǎn)生B相信號。低通濾波器可使用濾波器，但是截止頻率要不相同，并對其進(jìn)行合理化和針對性的選擇，如果這個電源可以驅(qū)動鎖定的電機(jī)，由于電機(jī)的工作頻率會受到各方面因素的局限，所以都是利用較小的帶通濾波器來通帶。

使用該方式能夠有效的減輕小諧波和象頻的噪聲。因為濾波器相位特性存在多方面的漏洞，所以在操作當(dāng)中必須要保證兩路的濾波器對稱，這樣可以有效的縮減誤差。功放使用乙類放大器，把功率最大化，對幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 性能分析

在一般情況下，DDS在系統(tǒng)中占據(jù)核心地位，這需要對其性能進(jìn)行進(jìn)一步的研究，影響DDS性能的主要因素則是相位舍位噪聲，大多數(shù)會因此而造成幅度量化方面的誤差，影響最終的性能分析結(jié)果準(zhǔn)確性。事實也充分表明了，可以不用考慮相位舍位引起的噪聲。所以需要對兩種噪聲的產(chǎn)生進(jìn)行研究。

3.1 幅度量化誤差

ROM存在有限字長效應(yīng)，這種效應(yīng)通常會導(dǎo)致幅度量化的誤差，設(shè)正弦信號幅度為A，L為量化電平數(shù)，L=2D，D為查找表（ROM）的字長。為了加強(qiáng)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，我們可以看做p（x）為均勻分布，即p（x）=1xmax-xmin=1LΔA，若xk-1≤ x≤ xk，輸出為yk，量化誤差X= x-yk，即X（KT）=x（KT）-y（KT），量化噪聲功率N為N=X2（KT）=∫∞-∞[x（KY） -y（KT）]2p（x）dx=

ΣLK=0∫xK+ 1xK（x - yK）2p（x）dx=ΣLK=0∫xK+ 1xK（x - yK）

21LΔAdx=ΔA212式中ΔA=A- （- A）L=2AL，N=A23L2。

因正弦信號功率S=A22，則量化信噪比：

10lgSN= 10lg3L22≈ 1.76+ 10lg（2D）2≈1.76+ 6.02D（dB）式中D為8，則量化信噪比為50 dB。

3.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的影響

由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出是一系列矩形波，而不是沖擊序列，即相當(dāng)于不是理想的采樣。Fs（k）=1TΣKF（k- KK）（K= 0，1，… ） Fo（k）= ATQ（k）Fs（k）=ASa（kT2）ΣKF（k- KK）式中 A為矩形波幅值。由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器存在非線性，所以出現(xiàn)了諧波及其混疊。如果使用了平滑濾波器，還是有譜線無法濾除。假如頻段不同，所使用的濾波器也不同，就可以對信號中的信噪比進(jìn)行有效的緩解。

4 結(jié)束語

根據(jù)以上的闡述，相信大家對于分析構(gòu)建處理一臺驅(qū)動電源的有關(guān)內(nèi)容都有了一個大致了解，由于兩路濾波器具有不對稱性，導(dǎo)致兩相信號會出現(xiàn)附加相位差，頻率分辨率為1赫茲。

參考文獻(xiàn)：

[1]張狄.高性能超聲電機(jī)驅(qū)動測試系統(tǒng)[D].南京航空航天大學(xué)，2017.

[2]姜楠，林云生，劉俊標(biāo)，韓立.基于DDS的超聲電機(jī)驅(qū)動電源的研究[J].電子器件，2007（01）：109-111+115.

項目號：吉教科合字[2014]第592號項目名稱：吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項目——通用超聲電機(jī)驅(qū)動控制器的研發(fā)

作者簡介：郝銘（1969-），男，吉林省吉林市人，研究生，副教授，研究方向：超聲電機(jī)。