基于DDS的超聲波電機測試電源設計

引言

　　超聲波電機(USM)具有能夠直接輸出低轉速大力矩，瞬態響應快(可達ms量級)、定位精度高(可達nm量級)，無電磁干擾等諸多優點。USM的運行需要有兩路具有一定幅值，相位上正交(或可調)，頻率在20 kHz以上的高頻交流電源。驅動信號源的幅值、頻率及相位直接影響USM的性能。為便于USM的性能測試及研究，需要提供一種在幅值、頻率、相位上均可調的測試電源。以往的超聲波驅動器多采用分立器件構成如文獻，其電路結構復雜。文獻雖然改用FPGA或CPLD生成，但所生成的信號頻率變化是不連續的。文獻是用單片機和專用的DDS芯片，存在抗干擾性差，可靠性低的弊端。

　　本文介紹了基于DLL數字頻率直接合成技術(DDS)用ALTERA公司的FPGA器件和VHDL語言編程，按相位累加的方法產生兩相四路頻率相位可調的高頻PWM信號，經過驅動電路、光耦隔離電路作為外部功率控制電路H橋的四個閘門驅動信號，H橋主回路接入的是對市電經調壓、隔離、整流及濾波后的直流電。由閘門驅動信號對該直流電進行通斷控制，形成可調幅值、頻率、相位差的兩相高頻PWM波的交流信號，再經外加電感平滑，將PWM波信號變成類正弦波信號，實現對USM的性能測試。

　　1 功率控制電路

　　如圖1所示，加于USM的A、B兩相交流信號是由FPGA產生的四路脈沖信號控制MOS管開關對整流濾波后直流電進行通斷控制，在圖1所示H橋逆變器的作用下，將直流電逆變為與逆變器開關頻率相同的矩形波交流電，經串聯電感平滑，就得到了USM所需的兩相高頻類正弦波信號。該信號可由主回路的調壓器調節幅值，A、B兩相的相位差取決于H橋兩側閘門驅動信號的相位差，即閘門S1與S2(或S3與S4)驅動信號的相位差。同側橋臂不能同時導通，以避免大電流通過MOS開關管而損壞開關管，理論上同側的兩個控制信號應該相位互補，實現推挽輸出，考慮到開關器件的延時特性，該信號開啟閘門時要有一定的延時，即死區時間。鑒于以上分析及USM性能測試的需求，閘門控制信號應具有頻率、相位、死區時間均可調的占空比大于50％的PWM高頻波。