一种频率可调超声波驱动电路的设计_许刚

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 。
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
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 。
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 3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 。
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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 。
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 。
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 。
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
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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 。
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
C d =3 . 3 nF 液晶显示 : rd =20 k F =40 . 15 kH z