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(tài)響應快(可達ms量級)、定位精度高(可達nm量級)，無(wú)電磁干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)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(dòng)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(zhuān)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(shù)(DDS)用ALTERA公司的FPGA器件和VHDL語(yǔ)言編程，按相位累加的方法產(chǎn)生兩相四路頻率相位可調的高頻PWM信號，經(jīng)過(guò)驅動(dòng)電路、光耦隔離電路作為外部功率控制電路H橋的四個(gè)閘門(mén)驅動(dòng)信號，H橋主回路接入的是對市電經(jīng)調壓、隔離、整流及濾波后的直流電。由閘門(mén)驅動(dòng)信號對該直流電進(jìn)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(jīng)外加電感平滑，將PWM波信號變成類(lèi)正弦波信號，實(shí)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(chǎn)生的四路脈沖信號控制MOS管開(kāi)關(guān)對整流濾波后直流電進(jìn)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?yōu)榕c逆變器開(kāi)關(guān)頻率相同的矩形波交流電，經(jīng)串聯(lián)電感平滑，就得到了USM所需的兩相高頻類(lèi)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(mén)驅動(dòng)信號的相位差，即閘門(mén)S1與S2(或S3與S4)驅動(dòng)信號的相位差。同側橋臂不能同時(shí)導通，以避免大電流通過(guò)MOS開(kāi)關(guān)管而損壞開(kāi)關(guān)管，理論上同側的兩個(gè)控制信號應該相位互補，實(shí)現推挽輸出，考慮到開(kāi)關(guān)器件的延時(shí)特性，該信號開(kāi)啟閘門(mén)時(shí)要有一定的延時(shí)，即死區時(shí)間。鑒于以上分析及USM性能測試的需求，閘門(mén)控制信號應具有頻率、相位、死區時(shí)間均可調的占空比大于50％的PWM高頻波。