基于DDS的超声波电机测试电源设计

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。

2 PWM调频调相高频信号的产生

参考文献的DDS设计，将一个周期的矩形波幅值进行2n等分后按顺序存于一个表格中，用高频时钟fclk依次按表中地址顺序读取其数据(幅值)。利用相位累加器可以每隔M个地址，读一个幅值信息。矩形波频率正比于输入时钟频率和相位增量M之积，即为基频时钟fclk／2n的M倍。通过调节步距M(频率控制字)可调节信号的频率。调节首次所读ROM表的地址，可调节矩形波的相位，称该调节参数为相位控制字。若ROM查找表中0，1各占一半则可得到频率、相位连续可调的方波信号；改变表中1的比例，就会得到不同脉宽的矩形波。若能从外部调节1的比例，就生成了一路频率、相位、占空比可调的PWM信号。由于表中只有两种数O和1，且均连续出现，因而可用比较器替换ROM表，将原来的地址发生计数器的计数值划分为2部分，一部分对输出信号清零，另一部分对其置1。2种方案相比，后者大大节约了FPGA资源。RTL级原理图如图2所示。

　　程序设计中的FWORD[16．．O]为原理描述中的频率控制字M，连接于32位计数器F32[32．．6]，其输出信号FOUT的频率按如下公式计算FFOUT=fclk／222·FWORD，频率分辨率为Fmin=25fclk／222，最大输出频率为Fmax=Fmin FWORDmax。当系统频率fclk=50MHz时，Fmin=0．745 Hz，Fmax=97．648 kHz，即输出频率可在O．7～97．6 Hz之间调节。相位控制字为9位，输出信号FOUT的相位可按如下公式计算：POUT=360°／2°×PWORD，最小分辨率为360°／2°=0．7°。DIEIN[8．．O]为占空比(死区)调节控制字输入，占空比按计算公式：(29-DIEIN)／210x1 00％，最大占空比为50％，最小接近于O，占空比的调节以使图一H桥同侧的两个MOS管刚好不同时导通为度(故占空比不能大于50％)，占空比太小会使整个系统转换效率降低。

以单相调频调相PWM信号设计作为底层元件，利用VHDL的结构化描述方式(例化语句)，按相位要求将4个单相调频调相信号DDS元件设置成不同相位来实现。相位字PWORD为9位，U0：PWORD=O，初始相位=0；U2：PWORD=“100000000”，初始相位为180°；U1元件的初始相位PWOR-D，U2元件的初始相位为PWORD+“00000000”，这就实现了UO和U1相位差为PWORD，U0和U2，U1和U2相位差各为180°，从而实现四路调频调相PWM信号设计。

通过调节FWORD、PWORD及DIEIN来分别调节四路输出信号的频率、相位差、四路输出信号的占空比。仿真结果如图3所示。由仿真图可知超前90°和滞后90°得到的四路相序