一種以基于NiosⅡ的超聲電機驅動(dòng)控制電路

的相位關(guān)系會(huì )發(fā)生轉換，從而判斷電機運行的方向。因此，根據這一特性，在FPGA中，用Vetilog語(yǔ)言編寫(xiě)了一個(gè)實(shí)現正交編碼脈沖電路的功能的計數模塊。

同時(shí)，為了進(jìn)一步消除光柵反饋信號可能產(chǎn)生的窄脈沖干擾信號，本控制器將轉換后的單端信號進(jìn)一步濾波。主要過(guò)程是：在采集某一狀態(tài)信號時(shí)，利用比該狀態(tài)信號更高頻率的采樣時(shí)鐘對其進(jìn)行多次重復采集，直到多次采集結果完全一致時(shí)才視為有效信號輸出。然后再將濾波過(guò)后的信號發(fā)送給正交編碼脈沖電路進(jìn)行辨向和計數。

1.3 驅動(dòng)控制器的控制方式

電機工作時(shí)，FPGA通過(guò)串口接收來(lái)自上位機發(fā)送的數據至Nios II處理器中，經(jīng)過(guò)程序處理之后，得出電機運行的方式(步進(jìn)、連續)、運行的距離等信息，NiosⅡ處理器通過(guò)控制DDS模塊的起停時(shí)間來(lái)控制驅動(dòng)信號的有無(wú)進(jìn)而控制電機的運動(dòng)過(guò)程。電機運行時(shí)的位移和速度的實(shí)際信息可以從光柵編碼器的反饋信號中得出，計數器模塊計算出脈沖數的值發(fā)送給Nios II處理器，處理器通過(guò)具體的控制算法改變DDS輸出信號的幅值、頻率、相位從而對電機的運行狀態(tài)做出進(jìn)一步的調整。這樣，一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統就由一塊FPGA芯片實(shí)現了。

2 實(shí)驗分析

2.1 超聲電機速度穩定性研究

由于超聲電機在一定的頻率范圍內，它的速度隨著(zhù)頻率的增大而減小，因此我們可以通過(guò)控制正弦信號的頻率來(lái)保證超聲電機速度的穩定性。

本實(shí)驗使用的直線(xiàn)超聲電機在33.8 kHz附近運行的比較穩定，所以選用33.8 kHz作為直線(xiàn)超聲電機的實(shí)驗頻率。首先研究直線(xiàn)超聲電機在不加入任何的控制算法時(shí)，它的速度穩定性，實(shí)驗結果如圖5所示。

由上圖可以看出不加控制算法直接運行，超聲電機的速度不是很穩定。如果在Nios II處理器中加入一些控制算法去控制電機運行時(shí)的頻率，速度的穩定性會(huì )有顯著(zhù)的改善。以增量式PID算法為例：

△u(k)=A1e(k)+A2e(k-1)+A3e(k-2)

u(k)是頻率，e(k)是第K次采樣時(shí)目標速度與當前速度的差值。通過(guò)上面的公式算出頻率的改變量，發(fā)送新的頻率控制字給DDS模塊，改變驅動(dòng)信號的頻率，從而達到控制電機運行速度的效果。圖6為加入PID算法后電機的速度曲線(xiàn)。

由此可見(jiàn)，引入控制算法的超聲電機驅動(dòng)，電機的速度波動(dòng)要遠遠的小于直線(xiàn)超聲電機在不引入算法時(shí)的波動(dòng)。這很好的解決了直線(xiàn)超聲電機在運動(dòng)過(guò)程中的速度穩定性問(wèn)題。

2.2 定位精度測試

對一個(gè)單軸直線(xiàn)超聲電機運動(dòng)平臺進(jìn)行精確定位實(shí)驗。此精密運動(dòng)平臺在脈沖寬度為3.5μs時(shí)有著(zhù)比較穩定的輸出特性，步進(jìn)距離大約在100 nm左右。使用“連續+步進(jìn)”的方式進(jìn)行精度測試，連續運動(dòng)至預定目標處，然后利用微小步進(jìn)進(jìn)行調整。英國REN-ISHAW公司的XL-80激光干涉儀系統作為本次實(shí)驗的測定系統，將激光干涉儀顯示數據與定位距離進(jìn)行比較。實(shí)驗表明，此超聲電機直線(xiàn)運動(dòng)平臺的定位精度可以達到1μm。

3 結論

文中利用SOPC技術(shù)，將波形發(fā)生模塊和微處理器模塊以及脈沖計數模塊巧妙地集成到一片FPGA內部，利用可編程邏輯的靈活性和Nios II的強大處理能力，實(shí)現了超聲電機驅動(dòng)控制電路的設計。采用SOPC方案進(jìn)行系統設計，充分利用FPGA的可編程性，整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程變得靈活方便，在不改變任何外圍電路的情況下可以對系統進(jìn)行軟硬件升級，延長(cháng)系統的壽命周期，同時(shí)大大提升了系統的性能和系統的集成度，降低了系統的開(kāi)發(fā)成本，這正是相對于其他方案的優(yōu)勢，也符合當今科技的發(fā)展方向。