基于NiosⅡ的超聲電機驅動(dòng)控制電路

超聲電機是一種新型微特電機，其工作原理是通過(guò)壓電材料的逆壓電效應，使定子在超聲頻段微幅振動(dòng)，依靠摩擦將振動(dòng)轉換成動(dòng)子的旋轉(直線(xiàn))運動(dòng)。超聲電機具有體積小，重量輕、結構緊湊、響應快、無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，在航天宇航和軍事裝備等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景。

近些年來(lái)，我國在超聲電機控制方面，提出了一些控制理論，并搭建了一些用于超聲電機驅動(dòng)的實(shí)際驅動(dòng)與控制電路。2010年，薛雯玉碩士研究了基于DSP芯片的超聲電機驅動(dòng)控制器，但驅動(dòng)電路仍以傳統的模擬電路為主，精度不高，不能實(shí)時(shí)的調頻、調相。2011年，孫霖碩士研究了基于DSP/FPGA的超聲電機驅動(dòng)控制器，利用DDS技術(shù)產(chǎn)生數字正弦波，雖然提高了精確度和實(shí)時(shí)性，但是浪費了很多芯片的邏輯資源，也不利于驅動(dòng)控制電路的小型化。

本文使用Altera公司的EP3C400240C8芯片設計了一種以FPGA為核心、基于SOPC技術(shù)和NiosⅡ軟核處理器的新型超聲電機驅動(dòng)控制器。在FPGA內部用SOPC(可編程片上系統)的思想定制了一個(gè)NiosⅡ軟核處理器作為控制運算部分，用Verilog語(yǔ)言編寫(xiě)出了頻率、相位、幅度都可調的DDS模塊和光柵反饋計數模塊，這樣的一個(gè)閉環(huán)系統在滿(mǎn)足控制精度和實(shí)時(shí)性的同時(shí)具有良好的靈活性和可重構性，并且做到了以極少的硬件資源和高度集成的系統結構去控制超聲電機運行，便于驅動(dòng)控制電路的小型化。

1 驅動(dòng)控制器的設計

1.1 驅動(dòng)控制電路

本文提出的超聲電機驅動(dòng)控制系統由控制驅動(dòng)器和功放/升壓電路組成。圖1是以FPGA為核心構建的超聲電機驅動(dòng)控制電路。超聲電機的驅動(dòng)機理要求驅動(dòng)器必須提供在超聲頻段內兩相具有一定相位差的同頻、等幅正弦交流電，電壓在幾十伏到幾百伏之間。該電路的功能全部由FPGA的軟件實(shí)現，控制和輸出正弦交流電，大大提高了控制系統的穩定性和精確性，并使控制系統電路板的面積大幅度縮小，一塊控制板可以同時(shí)控制數個(gè)超聲電機。

此驅動(dòng)控制系統用FPGA內部編寫(xiě)的DDS模塊輸出兩路具有一定相位差的正弦波數據，然后通過(guò)DA芯片轉成正弦波信號，經(jīng)過(guò)功率放大之后，最后用變壓器抬高電壓。

該電路加載超聲電機后輸出的波形如圖2所示，波形變的光滑很多。當超聲電機在運行過(guò)程中發(fā)生頻率漂移的情況時(shí)，系統也能夠從速度的改變量來(lái)調整相應的驅動(dòng)輸出，不會(huì )出現電機速度不穩定的現象。

1.2 FPGA內部系統

圖3是超聲電機控制驅動(dòng)電路中FPGA內部的構架。其設計的核心是可裁剪的Nios II軟核和發(fā)出正弦信號的DDS模塊以及讀取光柵編碼器反饋脈沖的計數模塊。