应用于超声波电机驱动的对称PWM控制信号发生器

’ ( 位计数器输出计数值最高位为 * 和 ( 的区间。 而 ! ’ ( 位计数器输出计数值的最高位正是二分频 电路中二输入与门的一个输入信号。如图 $ 所示， 与门 -( 的输入信号为 ! ’ ( 位计数器输出值最高 位的非值，与门 -% 的输入信号为 ! ’ ( 位计数器 输出值的最高位。于是，与门 -( 的输出信号为对 应于 ! ’ ( 位计数器输出值变化范围 * + （ %! , (） 的 & 相 ! 位比较器输出脉冲，与门 -% 的输出信号 为对 应 于 ! ’ ( 位 计 数 器 输 出 值 变 化 范 围 % ! + （ %
图 $ 中推挽电路与超声波电机直接相连，实现 电压幅值放大，并利用变压器二次绕组与超声波电 机的容性压电陶瓷片构成谐振，滤除方波驱动电压 中的谐波成分，实现近似的正弦波驱动。图 $ 中的 超声波电机为两相超声波电机，故需要 /、0 两相
.］ 推挽电路 ［ 。
对于单相超声波电机，图 $ 中的对称 ’() 控 制信号发生器应产生一相两路对称 ’() 信号。对 于两相超声波电机，对称 ’() 控制信号发生器应 产生两相互差一定角度 （ 可调节） 的 ’() 信号， 每相包含两路对称 ’() 信号。这两路对称 ’() 信号经驱动放大环节控制一相推挽式电路中的上、 下两个开关管动作，实现推挽式驱动。对称 ’() 信号如图 1 所示，是指用于控制上、下两个开关管 的两路 ’() 信号，脉冲宽度相同，相位互差 $2%3 电角度。
仅要求图 $ 中的对称 ’() 控制信号发生器能够给 出对 称 ’() 控 制 信 号， 而 且 要 求 给 出 的 对 称 ’() 控制信号的频率、占空比 （ 脉冲宽度，对应
图 $! 超声波电机推挽式驱动电路结构框图
于超声波电机驱动电压幅值） 可以调节，两相四 路 ’() 信号的相位差亦可调节，即可调频、调幅 和调相。 目前各个系列的电机专用控制芯片，均是针对 传统电机应用场合设计的，其内置 ’() 控制信号 发生器自动生成的 ’() 信号均为互补形式的，即 两路信号互为反相，脉冲宽度之和为固定值。 对于超声波电机的推挽式驱动，如何根据控制 需要产生适当的对称 ’() 控制信号，成为一个必 须解决的基本问题。现有的能够给出对称 ’() 控 制信号的功能芯片并不多见，而且都只能给出单相 对称 ’() 控制信号，无法给出两相协调控制的信 号；且通常与其他功能单元集成在一起，难于单独 使用、调节。目前还没有直接符合超声波电机推挽 式驱动要 求 的 对 称 ’() 控 制 信 号 发 生 器 功 能 模 块，即难于产生可调频、调幅和调相的两相四路 ’() 信号。 为此，本文给出了一种可用于超声波电机驱动 的对称 ’() 控 制 信 号 发 生 器。分 析 了 其 工 作 原 — "! —
图 0( 对称 !"# 控制信号发生器波形示意图
应用于超声波电机驱动的对称 !"# 控制信号发生器
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!"# 控制信号。图 $ 给出了二分频电路原理图，% 个与门的一个输入端连接上述 & 相 ! 位比较器的 输出信号，另一个输入端分别连接 ! ’ ( 位计数器 输出计数值最高位的原值与非值。
$% 引言
超声 波 电 机 驱 动 电 路 有 多 种 不 同 的 结 构 形 式
［ $ - .］
，推挽式驱动电路是其中一 种。由 于 成 本
低、可靠性高，该种驱动电路结构具有广阔的应用 前景。超声波电机推挽式驱动电路的基本结构如图 $ 所示。
图 1! 对称 ’() 信号示意图
$， 1， "］ ! ! 由于对超声波电机进行控制的需要 ［ ，不
" #-） 即计数值等于 / （ $ - ），下一个 数至全 - 状态 （
时钟脉冲的到来，将使得该计数器的计数值变为全 . 。该计数器输出的计数值如图 01 所示。应说明的 是，实际电路中计数器的输出值为离散的二进制 数，图 0 为了使图形表述更加清楚，将计数器输出 计数值的累加变化过程画成了连续变化的直线。 上述 " , - 位计数器输出计数值的低 " 位连接 到 2 相 " 位比较器，作为 2 相 " 位比较器的一个 输入。 2 相 " 位比较器的另一个输入是由控制器 给出的 2 相 " 位比较值。当 2 相 " 位比较值小于 计数器计数值低 " 位时， 2 相 " 位比较器输出为 状态 - ；否则，输出为状态 . 。图 03 给出了 2 相 " 位比较器输出信号的波形示意图。这里需要说明的 是，由于 2 相比较器为 " 位比较器，比前述的 " , - 位计数器少一位。这样，对应于 " , - 位计数 器的一个计数周期， 2 相 " 位比较器的输入值之 一 （ " , - 位计数器输出计数值的低 " 位） 将从最 小值 . 到最大值 / " 4 - 变化两个周期，分别对应于 — &% —
! ! 河南省高校杰出科研人才创新工程项目 （ 1%%.45*6%%# ） 。
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应用于超声波电机驱动的对称 !"# 控制信号发生器
理，给出了基于 $!%& （ 可编程逻辑器件） 的具体 实现方法，并进行了实验验证。
" , - 位计数器输出计数值的变化范围 . 5 （ /" 4
号超前于 & 相输出 !"# 信号，超前量由外部输入 的 ! ’ ( 位偏移量确定。3 相电路各点信号如图 .5 + 图 .6 所示。 该对称 !"# 控制信号发生器是超声波电机驱 动控制装置的一部分，是在控制器的控制下工作 的。控制器给出 ! ’ ( 位偏移量、 & 相 ! 位比较 值、3 相 ! 位比较值等三个参数作为上述信号发生 器的输入数据。改变 !"# 控制信号的占空比，电 机驱动电压幅值就随之改变；改变两相 !"# 控制 信号的相位差，电机两相驱动电压的相位差就随之 改变。另一方面，控制器调节 789 的输出信号频
" , -） -） 和 / " 5 （ /（ 4 -） 。于是 2 相 " 位比较器输
!" 对称 #$% 控制信号发生器工作原理
本文设计的用于超声波电机驱动的对称 !"# 控制信号发生器，其结构如图 ’ 所示。
出信号也将变化两个周期，即输出两个脉冲信号。 该脉冲信号的周期是 " , - 位计数器计数周期的 - 6 / ，脉冲宽度则由外部输入的 2 相 " 位比较值确 定。2 相 " 位比较值增大， 2 相 " 位比较器输出 信号高电平脉冲宽度减小，即占空比减 小。反之，占 空 比 增 大。由 此，在 外 部 控制器的控制下，实现对称 !"# 控制信 号发生器输出信号的占空比调节。 随后，2 相 " 位比较器的输出信号 经二分频电路处理，2 相得到的两路对称
・电机技术 ・
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应用于超声波电机驱动的对称 !"# 控制信号发生器
史敬灼! 姚春丽
（ 河南科技大学电子信息工程学院! "#$%%& ） ! ! 摘! 要! 推挽式驱动电路是超声波电机驱动电路的一种常用结构形式，其控制需要采用对称 ’() 信号。设计一种可用于超声波电机驱动的对称 ’() 控制信号发生器，分析其结构及工作 原理，给出基于 *’+, 的具体实现方法，并进行实验验证，效果良好。 ! ! 关键词! 对称 ’()! *’+,! 超声波电机
图 ’( 对称 !"# 控制信号发生器
该对称 !"# 控制信号发生器能够输出两相四 路对称 !"# 控制信号，可以实现占空比调节与相 位差调节。输出信号的频率调节由外部 )$* （ 压 控振荡器） 实现。 )$* 在控制器控制下产生可调 频率的输出信号 ! + 作为上述对称 !"# 控制信号发 生器的输入时钟信号，从而达到调节输出信号频率 的目的。 该电路的工作原理分析如下。 图 ’ 中，" , - 位计数器为加法计数器，对输 入时钟信号 ! + 计数，计数器的计数初值为 . ；当计
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应用于超声波电机驱动的对称 !"# 控制信号发生器
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( ( 根据上式，已知需要的 !"# 控制信号频率 ! $ ， 就可以计算出需要的输入时钟信号频率。
!" 基于 #$%& 的对称 $’( 控制信号发生器
由于本设计采用全数字结构 （ 见图 - ） ，易于 用 *!+, 实现。本文取 # . ’/ ，以 0!#1’&2 为目标 芯片，设计并实现了基于 *!+, 的对称 !
图 2( 电机端电压实测波形
基 于 *!+, 的 具 体 实 现 方 法，实现了参数可调的两相 四 路 对 称 !"# 控 制 信 号 输出。 该对称 !"# 控 制 信 号 发生器适合于采用 *!+, 实 现，易集成以减小体积提高 可靠性，易修改以适应不同 需求。该设计不仅可用于超 声波电机驱动，也可用于其
图 $) 二分频电路原理图
率，导致 !"# 信号发生器输出 !"# 控制信号的 频率变化，进而通过推挽式驱动电路的作用，使得 电机驱动电压频率同步变化。
如前所述，对应于 ! ’ ( 位计数器的一个计数 周期，& 相 ! 位比较器输出两个脉冲信号，分别 对应于 ! ’ ( 位计数器输出计数值的变化范围 * +
（ ! ’ (）
, ( ） 的 & 相 ! 位比较器输出脉冲；即 &
相 ! 位比较器输出的相邻两个脉冲信号分别依次 通过与门 -( 、-% 输出，从而实现了二分频。 这样，采用尽量简单的电路结构，产生了两路 对称 !"# 控制信号，且两路信号时序关系确定。 如图 ./、0 所示，& 相输出信号 ( 总是超前于输出 信号 % ，且超前的电角度值固定为 (1*2 。 以上为 & 相对称 !"# 控制信号的产生原理。 3 相对称 !"# 控制信号的产生过程与 & 相相似。 不同在于，3 相电路中，3 相 ! 位比较器的输入不 是直接来自 ! ’ ( 位计数器，而是来自 ! ’ ( 位加 法器。这样可以实现输出信号的相位差调节。 ! ’ ( 位加法器的一个输入为 ! ’ ( 位计数器 输出的 ! ’ ( 位计数值，另一个输入为外部控制器 给出的 ! ’ ( 位偏移量。这样 ! ’ ( 位加法器的输 出超前于 ! ’ ( 位计数器的输出，从而使得图 4 所 示对称 !"# 控制信号发生器的 3 相输出 !"# 信
! ’ (） （ % ! , (） 和 % ! + （ %（ , (） ，亦即分别对应于 !
!" #$% 信号发生器控制参数的设置
对称 !"# 控 制 信 号 发 生 器 的 三 个 输 入 参 数 ! ’ ( 位偏移量、 & 相 ! 位比较值、 3 相 ! 位比 （ 较值） 的取值方法与取值范围如下。 为使电机两相驱动电压的相位差在 ［, :*2 ， :*2 ］ 范围内可调节，! ’ ( 位偏移量的取值范围应 为［ *， %! , ( ］ 和［ （ 4 ; %! , ( ） ， %! ’ ( , (］ ，相位差与 ! ’ ( 位偏移量之间为线性关系。其中，当 ! ’ ( 位 偏移量取值为 ［ * ，% ! , ( ］ ，对应于电机两相驱动电 压的相位差范围 ［, :* " ，* " ］ ；当 ! ’ ( 位偏移量 取值为［ （ 4 ; %! , ( ） ， %! ’ ( , (］ ，对应于电机两相驱 动电压的相位差范围 ［ * " ，:* " ］ 。 事实上，对称 !"# 控制信号发生器输出的两 相信号相位差可调范围为 ［ *2 ，4<*2 ］ ，对应的 ! ’ ( 位偏移量取值范围应为 ［ * ，% ! ’ ( , ( ］ 。但在 采用推挽式驱动电路的超声波电机驱动控制装置中 不需要如此大的调节范围。 为了 使 得 输 出 !"# 控 制 信 号 的 占 空 比 在 ［ *= ，$*= ］ 范围内可调节， & 相 ! 位比较值和 3 相 ! 位比较值的取值范围应为 ［ * ，% ! , ( ］ ，占 空比与 ! 位比较值之间为线性关系。其中，最小 取值 （ 即 * ） 对应于输出 !"# 控制信号的占空比 为 $*= ，最大取值 （ 即 % ! , ( ） 对应于输出 !"# 控制信号的占空比为 *= 。 除上述三个输入参数外，对称 !"# 控制信号 发生器还有一个来自 789 的时钟信号输入。时钟 信号 # / 与输出 !"# 控制信号频率 # > 之间的关系为 — %$ —