超声波电机驱动控制器毕业设计

超声波电机驱动控制器毕业

设计

1 绪论 (1)

1.1 超声波电机概述 (1)

1.2 超声波电机驱动技术现状 (2)

1.2.1 超声波电机控制方法 (2)

1.2.2 驱动技术的发展 (2)

1.3 驱动电路的设计要求 (5)

2 驱动控制器总体方案设计 (5)

2.1 系统总体方案简介 (5)

2.2 DDS 技术工作原理及方案选择 (7)

2.2.1 DDS 技术概述 (7)

2.2.2 DDS 工作原理 (8)

2.2.3 DDS器件的选择 (9)

2.3 滤波电路方案选择 (12)

2.3.1 滤波器的原理与分类 (12)

2.3.2 滤波器件选择 (14)

2.4 放大电路方案选择 (15)

2.4.1 放大电路要求及电路初步设计 (16)

2.4.2 高压集成运算放大器的选定 (17)

2.4.3 前置放大器型号选择 (18)

3 硬件电路设计与实现 (18)

3.1 DDS 波形产生电路设计 (18)

3.1.1 AT89LS52 外围电路设计 (18)

3.1.2 AD9854 外围电路设计 (20)

3.2 带通滤波电路设计 (24)

3.3 功率放大电路设计 (27)

3.4 系统电源电路设计 (29)

4 软件设计与系统调试 (32)

4.1 系统软件基本结构 (32)

4.2 波形产生软件设计 (33)

4.2.1 AD9854 的工作模式 (33)

4.2.2 AD9854 的使用 (36)

致谢........................................... 错误！未定义书签。参考文献 (1)

1 绪论

1.1 超声波电机概述

超声波电机（Ultrasonic Motor，简称 USM）的基本结构及工作原理完全不同于传统的电磁电机，它不是以电磁作用传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动（频率≥20kHz），然后通过定、转子之间的接触和摩擦力将交变的振动转化成旋转运动或直线运动，实现从电能到机械能的能量转换[1]。由于超声波电机特殊的工作原理，它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能，如低速大转矩、体积小、重量轻、功率密度大、响应速度快、微位移、不受电磁场的影响、掉电自保护、设计自由度大、可直接驱动负载等[2-4]。可以说，超声波电机技术是当今世界极有发展前途的技术之一。

目前 USM 产业化和实用化正在快速发展，在一定程度上开始取代某些小型电磁电机。国外在上世纪 90 年代开始进入超声波电机的实用化、商品化开发阶段。如日本已将超声波电机广泛用于照相机镜头的自动聚焦系统[5]；三星公司将微型超声波电机用于手机摄像头；美国JPL实验室研制的用于宇宙飞船船体检测的爬壁机器人驱动装置[6]；Akihiro 公司将其用于高档手表的振动报时；高档汽车中应更加广泛：座椅调整、方向盘位置调整、后视镜角度调整、以及应用于门窗、雨刮器、刹车传动装置等；此外办公设备、家电和 PC 机、平板振子输送纸机构、X-Y 绘图仪、直角坐标自动定位装置等也有所应用，体现了超声波电机广阔的应用前景[7]。日本在该领域的研究处于世界领先地位，几乎拥有大部分有关超声波电机的发明专利，并且个别种类的超声波电机已经实现产业化，在国民经济中发挥着重要作用[8]。我国在这方面的研究虽起步较晚（90 年代初），但也取得了一些突破性成果，如南京航空航天大学研究已经取得了原创性和先进性的成果，成功研制出十余种旋转型行波与驻波超声波电机，并且达到了小批量的产业化和商品化；清华大学已研制出直径1mm的弯曲旋转超声波电机；哈尔滨工业大

学研制出的三维接触驱动式超声波电机、无轴承新型超声波电机、双定子单转子式超声波电机等。

1.2 超声波电机驱动技术现状

1.2.1 超声波电机控制方法

根据超声波电机的运行机理，比较常用的控制方式如表1.1所示

表 1.1 几种常用控制方法比较

几种控制方法各自的优缺点决定了各自的应用场合:调频调速相应快，易于实现精确控制，对超声波电机最合适，但工作时谐振频率的漂移要求有自动跟踪频率电路;调相调速换向平滑，适用于需要频繁正反向换向的场合;调幅调速调节范围有限，电压过低压电元件会不起振，过高又会接近压电元件的工作极限，较高的电压对应用面也有限制，一般不太采用;脉宽调幅调速因为调节比较复杂一般也很少使用。

1.2.2 驱动技术的发展

超声波电机结构确定以后，其性能不仅取决于电机本身，在很大程度上取决于驱动控制系统设计的好坏。与普通电机不同的是：超声波电机属于容性负载，具有强烈的非线性特征，而且目前还没有没有适合于控制的数学模型[9]，这就决定了其驱动控制器的设计有别于普通电磁型电机感性负载的情况。因此，如何设计一个既满足性能要求又具有结构简单、实用、响应迅速、定位准确、精确度高等特点的 USM 的驱动控制系统，则是 USM 进一步小型化、产品化和实用化所首先需要解决的问题。下面对几种常见的驱动方案做一下简单介绍。

（1）典型的超声波电机驱动系统

基本的驱动电路框图如图 1.1 所示，由高频信号发生器产生基准的方波信号，经移相器分成两路相位差 90°的超声波电机所需频率的两相方波，再经过逆变升压电路，得到电机所需的驱动信号[10]。频率跟踪电路测得电机的电压信号来判断电机的是否工作在谐振频率点上，以此来调整高频信号发生器的输出信号。其中高频信号发生器经常采用的器件为LM 555、LM 565、4046等；逆变升压电路一般采用推挽式功放电路，用4个功率场效应管阵列，通过变压器耦合，与超声波电机的压电陶瓷组成谐振回路，如Panasonic公司、Shinsei 公司的马达都采用了场效应管阵列作为功放。

图 1.1 典型的超声波电机驱动系统原理框图

目前这种方法使用比较广泛，只是因为变压器必须与不同型号的超声波电机匹配，通用性差，而且变压器的存在极大阻碍了电源装置的小型化，影响超声波电机在特定场合的应用和产品开发。当产品要求体积小、重量轻（如照相机、便携设备等）时，使用变压器的超声波电机驱动装置几乎是不可能的。

近年来，随着 FPGA/CPLD、单片机和 DSP 技术的发展，逐渐抛弃了使用分离