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。