一种频率可调超声波驱动电路的设计_许刚

C d =3 . 3 nF 液晶显示 : rd =20 k F =40 . 15 kH z
其描述成曲线即为图 9 所示 。
3 结 论
本文提出了基于 FPGA 频率可调的超声波驱动电路 的设计 , 并通过等效电路加以验证 。 其测试结果说明该电 路是可行的 。能够使电机保持一个较好的工作状态 , 提高 其工作效率 。
0 引 言
超声波电机是近年发展起来的一种新型电机 。超声 波电机必须工作在某个最佳频率上 。如果在谐振频率点 上驱动 , 尽管可以获得大的振动 , 但输入电流过大 , 电机的 转换效率变低 , 工作不稳定 。 因此超声波电机一般工作在 定子导纳 -频率特性的谐振和反谐振点之间 。 超声波电 机中压电陶瓷的介电系数 、等效电容及漏电阻都会随温度 的升高发生变化 , 这将导致谐振频率和反 谐振频率约有 114 kH z[ 1] 的变化 。如果驱动频率不变 , 电机转速将明显 下降 。 为了稳定地驱动超声波电机 , 有必要根据温度的变 化自动调节驱动频率 , 以跟踪超声波电机谐振频率的变 化 。基于此 , 本文提出了电机运行一段时间后其电机的阻 容特性发生变化 , 通过提取反馈信号然后调整输入信号的 [ 2-3] 频率 。 国内有人作过这方面的研究 , 但从其提供的驱动 电路框图可知 ( 见图 2) , 似乎不能实现自动跟踪的功能 。 图中 Vi n 为设定电压 , Vf 为 USM 反馈的交流电压经整流 后所得的直流反馈电压 , 用它们的和来控 制压控振荡器 ( VCO ) 的输出频率 。经分析发现 , 这个电路只能把输出频 率稳定在某一点( 如 P1 ) 。本文通过 FPGA 产生频率可调 信号 , 设计了一种新型互补对称的驱动电路 。 并用其制作 驱动超声波电机 。 产生的频率信号保证超声波电机始终 工作在最佳状态 。
1. 2 反馈电路设计实现 在此反馈电路中 , 取一个 5 Ψ的大功率电阻 , 在通过 变压器使得回路与反馈回路的影响变小 。 同时保证变压 器的输出在 0 ～ 5 V 间 。
图 7 USM 电机等效电路图 图 4 反馈电路框图
1. 3 A/ D 设计实现 在此电路中采用芯片 A DS7818 , 时钟信号由 FPGA 提 供 。引脚 6 输出串行数字信号到 FPGA 内通过 PID 算法 进行信号处理 。 1. 4 PID 算法实现 本文在参考一些相关文献后设计并制作了一个全新 的频率自动跟踪装置 , 并予以显示其工作点的频率和电压 等数据及波形 。其原理框图如图 5 所示 。
研究与设计
电 子 测 量 技 术 ELECT RO NIC M EA SU REM EN T T ECHN O LO G Y
第 32 卷 第 1 期 2009 年 1 月
一种频率可调超声波驱动电路的设计
许 刚 刘雨棣 孙振华
( 西安航空技术高等专科学校 西安 710077) 摘 要 :本文通过 F PG A 产 生频率可调信号 , 设计了一种新型互补对称的驱动电 路 , 并用其制作驱动超声波电机 。 通 过建立 超声波电机的电路模型 , 以及实际电路的制作 , 验证了本电 路确实能 产生频率可 调的信号 , 从而 使超声 波电机 始终工 作在最佳状态 。 最后进行了实验验证 , 效果良好 。 关键词 :超声波 电机 ; 驱动电路 ;频率可调 ; F PG A 中图分 类号 :T M 3591 文献标识码 :A
第1期
频率跟踪的原理 : 当电机启动后 V F =V 1 ; 运行一段时 间后电机的 V F <V 1 , 此时可以通过改变频率使得反馈电 压 V F =V 1 再次相等 。即如图 1 所示 , 改变工作频率使得 工作点由 P1 回到 P 2 。整个算法地实现 C 语言实现 。 1. 5 数据及波形显示的设计实现 因为要实现波形的显示 , 所以采用液晶显示器 。 显示 的实现框图如图 6 所示 。
图 1 USM 在不同温度下的谐振曲线
1 运行中电机频率测试仪的设计框图
1. 1 电机驱动电路的设计 在图 2 的超 声波 电 机驱 动电 路中 , 信 号 源采 用 的 FPGA 实现 4 路信号输出 , S 1 、S2 、S3 、 S4 的输入为相位分别
图 2 电机频率跟踪测试仪总体设计框图
图 5 频率跟踪原理框图
图 8 等效 USM 测量电路
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第 32 卷
电 子 测 量 技 术
参 考 文 献 [ 1] G U NG , BA L . A Digitally Contro lled Drive Sy stem fo r T ravelling-wav e U lt rasonic M oto r [ J ] . T urk JElecEng in , 2003 , 11( 3): 155-168 . [ 2] 李华峰 , 辜承林 . 超声波 电机的频率 自动跟踪[ J] . 压 电与声光 , 2003 , 25( 1) , 37-39 . [ 3] 钱卫忠 , 曾周末 , 杨学友 . 超声波电机驱动源的频率跟 踪[ J] . 天津大学学报 , 2000 , 33( 3) : 375 -377 . [ 4] 夏长亮 , 史婷娜 , 王太勇 . 压电超声波电机技术发展水 平与应用前景展望[ J] . 仪器仪表 学报 , 2001 , 22( z3): 390 -391 . [ 5] 郭吉丰 , 楼少敏 , 刘晓 .微系统用超声微电机的研究 现状和发展趋 势 [ J] . 工 程 设计 学 报 , 2002 , 19( 4) : 173 -177 . [ 6] 李新兵 , 何小虎 , 金 龙 , 等 . 基于 FF T 算法的 DSP 在 超声波电动机控 制器 中的 应用[ J] . 微特电 机 , 2004 , ( 4) : 29-32 . [ 7] 顾菊平 , 王德明 , 王桂星 . 一种行波超声波电机驱动控 制电 源 的 设 计 [ J] . 南通大学 学报: 自然科学 版, 2006 , 3( 1) : 11-13 . [ 8] 顾菊平 , 秦申蓓 , 石斌 , 等 . 超声波 电机测 试技术 的研 图 9 测试结果曲线图 究[ J] . 电工技术学报 , 2003 , 23( 1) : 51-55 . 作 者 简 介 F =40 K Hz
根据图 7 和图 2 , 本实验用图 8 来等效运行中的电机 , 用 电感和可变电容来等效温度的变化 。如图 7 所示 , 根据 FPGA 中的 PID 算法通过调整频率( 即谐振点) 来实现改变电压的目 的 。当电压达到已经确定的工作电压时 , 记录并显示其对应 的频率值 。从而达到测试的最佳工作点的目的 。
图 6 显示电路实现框图 图 3 超声波电机的驱动电路
2 实验测试
文献[ 1] 电机在工作时可等效成图 7 所示 。电机在工 作一段时间后由于温度的影响其等效电路地参数会发生 一定地变化 。即 LM , R0 , CM 发生微小变化 。 其电机的谐振 点也随之发生变化 , 根据图 7 可知 , 电机最佳地工作也随 之发生变化 。
Βιβλιοθήκη Baidu
许刚 , 男 , 汉 , 陕西咸阳 , 1978 年出生 , 硕士学位 , 主要 研究方向为通信技术 。 E-mail : theistic @ 163 . com
安捷伦科技与 Quantum Data Solution 携手推进 DisplayPort 测试自动化
自动化测试平台提升测试工程师和一致性测试实验室的工作效率和测试精度
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许 刚 等: 一种频率可调超声波驱动电路的设计
相差 90° 的 40 k Hz 方波信号 。 而开关管 S1 、S2 、S3 、S4 采用 的是 M TP3N 100 。由于控制 S1 、S3 信号相位差了 180° ,显 然 S1 、S3 不同时导通 , 同理 , S2 、S 4 也不能同时导通 。 分析 可得 , 开关管 S1 、S4 与 S2 、S3 同时导通 。 V d 电源采用的是 变压器接调压器给电机提供 300 V 左右的电压 。
Ultrasonic frequency adjustable driver ' s circuit design
Xu Ga ng Liu Yuli Sun Z he nhua
( Xi an A erot echnical college , Xi an 710077)
Abstract: T hro ug h a FPG A adjustable frequency sig nals , and set up and create a new complementary symmetr y of the drive cir cuit . U ltrasonic mo tor drive . T hroug h the establishment of ultrasonic moto r cir cuit model and the actual circuit pr oductio n , the ce rtifica tion of this circuit doe s indeed hav e adjustable frequency sig nal . U SM is alw ay s to wo rk in the best wo rking co nditions . Fina lly , the ex pe rimental ve rifica tion , the re sults w ere ve ry g oo d . Keywords :ultr aso nic mo to r ; driving circuit ;adjustable frequency ;FPG A
安捷伦科技公司( N YSE : A) 与 Q uantum Data 公司日前宣布推出联合开发的 Display Po r t 测试解 决方案 , 全面实现 接收机 和信号源设备的 Display Po rt 主要链路物理层测试的自动化 。
新的 Ag ilent W2642A A U X 通道控制器使工程师只通过 Display Po rt 连 接器即 可控制 被测件 , 不再 需要使用 单独的 专用 软件对每个被测件进行反向通道控制 。 工程 师和其 他测试 人员 不必在 测试 过程 中( Display Po rt 信号源 测试 可能需 要五 个小 时) 一直留在现场 , 极大的提高了工作效率 。 一致性测试实验室也会发现这些过程可以提高工作效率 、测试一致性和测试精度 。 此外 , 开发人员现在能够使用与测试和分 析链路层所用的测试仪器 相同的仪器 来自动进 行物理层测 试 。 自动物理 层测试 可使用安捷伦测试设备来执行 , 例如 DSO 90000A Infiniium 示波器或装有 N 5990A 测试自动化软件的 N 4903A J -BERT 。 W2642A 在 Quantum Data 882E 框架的基础上 , 综合了用于 DisplayPort AU X 通道控制的 Agilent IP 。 W2642A 具有以下特性 : 1) 自动物 理 层 测 试 — — — W2642A 可 与 A gilent U7232A I nfiniium 示 波 器 DisplayP or t 一 致 性 测 试 软 件 结 合 使 用 , 对 Display Po rt 信号源器件进 行测 试 ; W 2642A 可 与 A gilent N5990A 自 动 化测 试 软件 和 A gilent N4903A J-BERT 或 ParBERT 81250A 结合使用 , 对 接收机器件进行测试 。 2) 独立操作的图形用户界面 — — — W2642A 能够控制 DisplayP or t 信号 源或接收 机器件 的状态 , 验证 通过 DisplayP or t A U X 通道进行的数据交换 。 3) 链路层和 H DCP( 高清晰度内容保护) 一致性测试 — — — 该功能在 Quantum Da ta 882 视频测试仪器中得到了充分利用 。 如欲了解与 A gilent Display Po rt 一致性测试解决 方案有关的更多信息 , 敬请访问 : ww w . agilent . co m/ find/ Display Po r t 。
对于电机在不通的温度下可以采用不同的电路加以 模拟 , 如电路图 8 所示 。温度对电机来说主要影响其等效 电容的变化 。 实验数据如表 1 所示 。
表 1 测试结果 K1 闭合 、 K2 断开 C m =4 . 3 nF K1 断开 、 K2 闭合 C m =5 . 3 nF Lm = 0. 001 H Lm = 0. 0011 H r0 = 150 Ψ r0 = 140 Ψ C d =3 . 3 nF 开始施加 : rd =20 k