基于DDS的超声电机驱动电源

摘 要：一直以来，行波超声电机驱动电源只能够固定相位差调频率亦或者是频率调相位差，在控制行波超声电机方面还存在较大的差距和漏洞。接下来本篇文章就基于这一点提出相对应的解决方案，致力于让超声电机驱动电源不仅仅能够产生两相可调频率，还可以调相位差及幅度的正弦信号。事实证明，该项举措确实能够取得良好的效果，尽最大程度的解决了超声电机驱动电源原先存在的一系列问题，保证多种型号的超声电机能够持续有效的运行。

关键词：驱动电源；DDS；超声电机

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

1 引言

现阶段，超声电机涵盖于一般情况下属于驱动装置，它的运行原理主要是依据压电材料的逆压电效应，从而将内部产生的能量进行转换，以此来驱动转子持续运动。这种驱动装置往往速度较低、运动摆动幅度较大、测量结果准确、受电磁的干扰极小、灵敏程度较好。就目前的情况来看，超声电机在市场当中的应用范围越来越普及，使用价值越来越高，国内许多专家学者也都对此进行了深入的探讨，其最终的目的就是要进一步提高超声电机的性能，进而满足社会发展和转型的需求。值得特别注意的是，国内一些名校也对这一方面进行了深入的研究，并取得了一定的成就，其中的部分發现如行波型系列超声电机已经得到了社会的肯定，开始投入使用。该系列的超声电机反应的速度进一步加快，能够低速发动，但并非所有的运动都是直线性的，也会出现非线性的情况。调相调速可以换向运动平滑，操作控制具有一定的柔韧性，只是在低速启动的情况之下所进行的各项步骤较为繁琐。接下来本篇文章主要针对超声电机的调速情况来进行细致的分析，运用多种理念来打造一套全新的解决方案，便于操作和管理。下面谈一谈这项方案的主要内容，以供大家参考。

2 基本原理及方案构成

事实上，这套全新的解决方案主要集中在信号发生器以及功放这两个方面。调压由功放以及调频和调相由信号发生器均已按照规定标准完成。方案运用直接数字合成法，尽最大程度的避免了以往处理方式的各项问题。其中，fc为基准频率，fo为输出频率。当然，查找表当中还有一个周期的正弦函数，累加器则由相位寄存器和加法器这两个部分组成，累加器可以应用查找表进行寻址。当寻址完一个周期正弦函数的时间To=（2n /MTc）即fo=（M /2n ）fc，便可以通过调整M数值来改变输出的频率，与此同时频位也会保持连续。之后查找表显示的一系列数据通过数模转换器等模型便可以得出相应的信号消息。除此之外，我们也可以利用采样定理，即fc≥ 2fo max，但是在一般的操作过程当中应用的是fc=3 fo max。大多数情况之下，累加器输出为n位，但查找表的寻址位数m往往比n小。当信号发生器的频率分辨率为1 赫兹且最高频率为50 M赫兹时，就需要一个150M字节的ROM查找表，这同时也加大了计算和实施的难度系数。也正是基于这样一个事实，在计算和应用时一般取累加器的高m位来寻址。高校发明的行波型超声电机驱动电源可以产生AB两相正弦功率信号，各个方面都是可以根据实际情况的需求进行相应的调整。相位寄存器的输出在对查找表A寻址的同时，还要加上相差寄存器的值对查找表B寻址，产生B相信号。低通滤波器可使用滤波器，但是截止频率要不相同，并对其进行合理化和针对性的选择，如果这个电源可以驱动锁定的电机，由于电机的工作频率会受到各方面因素的局限，所以都是利用较小的带通滤波器来通带。

使用该方式能够有效的减轻小谐波和象频的噪声。因为滤波器相位特性存在多方面的漏洞，所以在操作当中必须要保证两路的滤波器对称，这样可以有效的缩减误差。功放使用乙类放大器，把功率最大化，对幅度进行调节。

3 性能分析

在一般情况下，DDS在系统中占据核心地位，这需要对其性能进行进一步的研究，影响DDS性能的主要因素则是相位舍位噪声，大多数会因此而造成幅度量化方面的误差，影响最终的性能分析结果准确性。事实也充分表明了，可以不用考虑相位舍位引起的噪声。所以需要对两种噪声的产生进行研究。

3.1 幅度量化误差

ROM存在有限字长效应，这种效应通常会导致幅度量化的误差，设正弦信号幅度为A，L为量化电平数，L=2D，D为查找表（ROM）的字长。为了加强分析结果的准确性和可靠性，我们可以看做p（x）为均匀分布，即p（x）=1xmax-xmin=1LΔA，若xk-1≤ x≤ xk，输出为yk，量化误差X= x-yk，即X（KT）=x（KT）-y（KT），量化噪声功率N为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。

因正弦信号功率S=A22，则量化信噪比：

10lgSN= 10lg3L22≈ 1.76+ 10lg（2D）2≈1.76+ 6.02D（dB）式中D为8，则量化信噪比为50 dB。

3.2 数模转换器的影响

由于数模转换器的输出是一系列矩形波，而不是冲击序列，即相当于不是理想的采样。Fs（k）=1TΣKF（k- KK）（K= 0，1，… ） Fo（k）= ATQ（k）Fs（k）=ASa（kT2）ΣKF（k- KK）式中 A为矩形波幅值。由于数模转换器存在非线性，所以出现了谐波及其混叠。如果使用了平滑滤波器，还是有谱线无法滤除。假如频段不同，所使用的滤波器也不同，就可以对信号中的信噪比进行有效的缓解。

4 结束语

根据以上的阐述，相信大家对于分析构建处理一台驱动电源的有关内容都有了一个大致了解，由于两路滤波器具有不对称性，导致两相信号会出现附加相位差，频率分辨率为1赫兹。

参考文献：

[1]张狄.高性能超声电机驱动测试系统[D].南京航空航天大学，2017.

[2]姜楠，林云生，刘俊标，韩立.基于DDS的超声电机驱动电源的研究[J].电子器件，2007（01）：109-111+115.

项目号：吉教科合字[2014]第592号项目名称：吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目——通用超声电机驱动控制器的研发

作者简介：郝铭（1969-），男，吉林省吉林市人，研究生，副教授，研究方向：超声电机。