基于DDS的超聲電機驅動電源

摘 要：一直以來，行波超聲電機驅動電源只能夠固定相位差調頻率亦或者是頻率調相位差，在控制行波超聲電機方面還存在較大的差距和漏洞。接下來本篇文章就基于這一點提出相對應的解決方案，致力于讓超聲電機驅動電源不僅僅能夠產生兩相可調頻率，還可以調相位差及幅度的正弦信號。事實證明，該項舉措確實能夠取得良好的效果，盡最大程度的解決了超聲電機驅動電源原先存在的一系列問題，保證多種型號的超聲電機能夠持續有效的運行。

關鍵詞：驅動電源；DDS；超聲電機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.112

1 引言

現階段，超聲電機涵蓋于一般情況下屬于驅動裝置，它的運行原理主要是依據壓電材料的逆壓電效應，從而將內部產生的能量進行轉換，以此來驅動轉子持續運動。這種驅動裝置往往速度較低、運動擺動幅度較大、測量結果準確、受電磁的干擾極小、靈敏程度較好。就目前的情況來看，超聲電機在市場當中的應用范圍越來越普及，使用價值越來越高，國內許多專家學者也都對此進行了深入的探討，其最終的目的就是要進一步提高超聲電機的性能，進而滿足社會發展和轉型的需求。值得特別注意的是，國內一些名校也對這一方面進行了深入的研究，并取得了一定的成就，其中的部分發現如行波型系列超聲電機已經得到了社會的肯定，開始投入使用。該系列的超聲電機反應的速度進一步加快，能夠低速發動，但并非所有的運動都是直線性的，也會出現非線性的情況。調相調速可以換向運動平滑，操作控制具有一定的柔韌性，只是在低速啟動的情況之下所進行的各項步驟較為繁瑣。接下來本篇文章主要針對超聲電機的調速情況來進行細致的分析，運用多種理念來打造一套全新的解決方案，便于操作和管理。下面談一談這項方案的主要內容，以供大家參考。

2 基本原理及方案構成

事實上，這套全新的解決方案主要集中在信號發生器以及功放這兩個方面。調壓由功放以及調頻和調相由信號發生器均已按照規定標準完成。方案運用直接數字合成法，盡最大程度的避免了以往處理方式的各項問題。其中，fc為基準頻率，fo為輸出頻率。當然，查找表當中還有一個周期的正弦函數，累加器則由相位寄存器和加法器這兩個部分組成，累加器可以應用查找表進行尋址。當尋址完一個周期正弦函數的時間To=（2n /MTc）即fo=（M /2n ）fc，便可以通過調整M數值來改變輸出的頻率，與此同時頻位也會保持連續。之后查找表顯示的一系列數據通過數模轉換器等模型便可以得出相應的信號消息。除此之外，我們也可以利用采樣定理，即fc≥ 2fo max，但是在一般的操作過程當中應用的是fc=3 fo max。大多數情況之下，累加器輸出為n位，但查找表的尋址位數m往往比n小。當信號發生器的頻率分辨率為1 赫茲且最高頻率為50 M赫茲時，就需要一個150M字節的ROM查找表，這同時也加大了計算和實施的難度系數。也正是基于這樣一個事實，在計算和應用時一般取累加器的高m位來尋址。高校發明的行波型超聲電機驅動電源可以產生AB兩相正弦功率信號，各個方面都是可以根據實際情況的需求進行相應的調整。相位寄存器的輸出在對查找表A尋址的同時，還要加上相差寄存器的值對查找表B尋址，產生B相信號。低通濾波器可使用濾波器，但是截止頻率要不相同，并對其進行合理化和針對性的選擇，如果這個電源可以驅動鎖定的電機，由于電機的工作頻率會受到各方面因素的局限，所以都是利用較小的帶通濾波器來通帶。

使用該方式能夠有效的減輕小諧波和象頻的噪聲。因為濾波器相位特性存在多方面的漏洞，所以在操作當中必須要保證兩路的濾波器對稱，這樣可以有效的縮減誤差。功放使用乙類放大器，把功率最大化，對幅度進行調節。

3 性能分析

在一般情況下，DDS在系統中占據核心地位，這需要對其性能進行進一步的研究，影響DDS性能的主要因素則是相位舍位噪聲，大多數會因此而造成幅度量化方面的誤差，影響最終的性能分析結果準確性。事實也充分表明了，可以不用考慮相位舍位引起的噪聲。所以需要對兩種噪聲的產生進行研究。

3.1 幅度量化誤差

ROM存在有限字長效應，這種效應通常會導致幅度量化的誤差，設正弦信號幅度為A，L為量化電平數，L=2D，D為查找表（ROM）的字長。為了加強分析結果的準確性和可靠性，我們可以看做p（x）為均勻分布，即p（x）=1xmax-xmin=1LΔA，若xk-1≤ x≤ xk，輸出為yk，量化誤差X= x-yk，即X（KT）=x（KT）-y（KT），量化噪聲功率N為N=X2（KT）=∫∞-∞[x（KY） -y（KT）]2p（x）dx=

ΣLK=0∫xK+ 1xK（x - yK）2p（x）dx=ΣLK=0∫xK+ 1xK（x - yK）

21LΔAdx=ΔA212式中ΔA=A- （- A）L=2AL，N=A23L2。

因正弦信號功率S=A22，則量化信噪比：

10lgSN= 10lg3L22≈ 1.76+ 10lg（2D）2≈1.76+ 6.02D（dB）式中D為8，則量化信噪比為50 dB。

3.2 數模轉換器的影響

由于數模轉換器的輸出是一系列矩形波，而不是沖擊序列，即相當于不是理想的采樣。Fs（k）=1TΣKF（k- KK）（K= 0，1，… ） Fo（k）= ATQ（k）Fs（k）=ASa（kT2）ΣKF（k- KK）式中 A為矩形波幅值。由于數模轉換器存在非線性，所以出現了諧波及其混疊。如果使用了平滑濾波器，還是有譜線無法濾除。假如頻段不同，所使用的濾波器也不同，就可以對信號中的信噪比進行有效的緩解。

4 結束語

根據以上的闡述，相信大家對于分析構建處理一臺驅動電源的有關內容都有了一個大致了解，由于兩路濾波器具有不對稱性，導致兩相信號會出現附加相位差，頻率分辨率為1赫茲。

參考文獻：

[1]張狄.高性能超聲電機驅動測試系統[D].南京航空航天大學，2017.

[2]姜楠，林云生，劉俊標，韓立.基于DDS的超聲電機驅動電源的研究[J].電子器件，2007（01）：109-111+115.

項目號：吉教科合字[2014]第592號項目名稱：吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目——通用超聲電機驅動控制器的研發

作者簡介：郝銘（1969-），男，吉林省吉林市人，研究生，副教授，研究方向：超聲電機。