一种超声波电机测试电源的设计
0 引言
超声波电机
(USM)具有能够直接输出低转速大力矩,瞬态响应快(可达 ms
量级
)、定位精度高(可达 nm 量级),无电磁干扰等诸多优点。USM 的运行需要有
两路具有一定幅值,相位上正交
(或可调),频率在 20 kHz 以上的高频交流电源。
驱动信号源的幅值、频率及相位直接影响
USM 的性能。为便于 USM 的性能测试
及研究,需要提供一种在幅值、频率、相位上均可调的测试电源。以往的超声波驱
动器多采用分立器件构成如文献,其电路结构复杂。文献虽然改用
FPGA 或
CPLD 生成,但所生成的信号频率变化是不连续的。文献是用单片机和专用的
DDS 芯片,存在抗干扰性差,可靠性低的弊端。
本文介绍了基于
DLL 数字频率直接合成技术(DDS)用 ALTERA 公司的
FPGA 器件和 VHDL 语言编程,按相位累加的方法产生两相四路频率相位可调
的高频
PWM 信号,经过驱动电路、光耦隔离电路作为外部功率控制电路 H 桥的
四个闸门驱动信号,
H 桥主回路接入的是对市电经调压、隔离、整流及滤波后的
直流电。由闸门驱动信号对该直流电进行通断控制,形成可调幅值、频率、相位差
的两相高频
PWM 波的交流信号,再经外加电感平滑,将 PWM 波信号变成类正
弦波信号,实现对
USM 的性能测试。
1 功率控制电路
如图
1 所示,加于 USM 的 A、B 两相交流信号是由 FPGA 产生的四路脉冲
信号控制
MOS 管开关对整流滤波后直流电进行通断控制,在图 1 所示 H 桥逆变
器的作用下,将直流电逆变为与逆变器开关频率相同的矩形波交流电,经串联
电感平滑,就得到了
USM 所需的两相高频类正弦波信号。该信号可由主回路的
调压器调节幅值,
A、B 两相的相位差取决于 H 桥两侧闸门驱动信号的相位差,
即闸门
S1 与 S2(或 S3 与 S4)驱动信号的相位差。同侧桥臂不能同时导通,以避免
大电流通过
MOS 开关管而损坏开关管,理论上同侧的两个控制信号应该相位互
补,实现推挽输出,考虑到开关器件的延时特性,该信号开启闸门时要有一定
的延时,即死区时间。鉴于以上分析及
USM 性能测试的需求,闸门控制信号应
具有频率、相位、死区时间均可调的占空比大于
50%的 PWM 高频波。