摘要：介紹了一種高效能的超聲電機驅動及控制電路。該電路使用直接數字頻率全成器（dds）作為訊號源，通過高壓運放將訊號放大到峰-峰值為250v，用於驅動超聲電機；借助溫度感測器採集電機溫度變化，利用計算機實時監控超聲電機的執行。
關鍵詞：超聲電機直接數字頻率合成器（dd）溫度感測器高壓運放
超聲電機是一種基於壓電陶瓷逆壓電效應的新型電機。與一般電磁電機相比，超聲電機能直接輸出低轉速大力矩，且瞬態響應快（可達ms量級）、定位精度高（可達nm量級），非常適合取代傳統的伺服電機及步進電機。目前超聲電機已廣泛應用於照相機及攝像機的自動調焦系統，而且在精密儀器以及航空航天領域也有許多應用。
儘管超聲電機具有很多優點，但由於超聲電機對於驅動訊號有著較高的要求，所以目前國內外開發的超聲電機的驅動及控制電路普遍存在電路體積大、控制效能單一等問題。大多數超聲電機的控制特性研究還是基於與超聲電機配套的普通驅動電路，難以利用計算機方便地進行超聲電機的控制特性研究。
針對上述問題，。該電路可以通過序列介面用教育處機實施控制和參量採集，並且訊號的頻率及相位控制精度高；可以在溫度感測器的控制下實現訊號頻率的自動調節，同時電路中還預留了4路模擬、數字通用感測器介面。
1超聲電機驅動及控制電路的工作原理
由超聲電機的工作機理[1]可知，大部分超聲電機的執行需要相關的驅控制電路提供兩路頻率相同、相位差為90度（或可調）、頻率為20khz～100khz、輸出訊號峰-峰值為100～350v、功率為0.1～10w的交變訊號。此外，由於超聲電機的最佳工作頻率是由系統的機械共振頻率決定的，而以壓電元件為主的振動系統的共振頻率會隨著外界引數（如溫度、預壓力等）的改變發生變化，因此一款好的超聲電機驅動及控制電路必須能夠很好地對系統共振頻率的變化實施跟蹤，從而確保電機的穩定執行。
2電路的基本構成和原理
超聲電機驅動及控制電路主要由以下5個部分組成：dds訊號發生單元、訊號隔離單元、訊號功率放大單元、溫度感測器單元、微控制器主控和介面控制單元（參見圖1）。
圖2主控微控制器
dds訊號發生單元產生的兩路獨立的正弦訊號，兩路訊號間的相位差可以在0～360度範圍內任意調節；兩路訊號分別經rc低通濾波和三極體射極跟隨送至高速光耦，然後經由高壓運放放大至250v,用於驅動超聲電機；超聲電機工作一段時間後溫度會發生變化，該溫度由溫度感測器採集送至主控微控制器處理；微控制器將溫度資料通過序列口傳到pc機，由pc機根據控制模型將修正後的驅動頻率控制字傳回微控制器，或者由微控制器根據片內預存的溫度-頻率表修正dds的訊號發生頻率。
考慮到未來擴充套件的需要，系統預留出4路a/d及通用i/o復用埠，用來和測量電機轉速的光電編碼器、應變片力矩感測器等介面。
以下分別就各單元的組成和功能作簡要介紹。
2.1微控制器主控單元
主控微控制器採用pic16f73a型微控制器（參見圖2）。該款微控制器20mhz的頻率下以5mips工作，片內帶有4kfalsh程式儲存器，片上整合有3路定時器、1路usart(可實現rs232通訊)、5路8-bita/d、路spi（i2c）以及wdt（看門狗）。該微控制器負責兩路dds的控制（占用rbo～rb7、rc0～rc2、rc5）和序列介面數字式溫度感測器的控制（採用i2c匯流排，占用rc3、rc4），並與pc機通過rs232序列**換數字（占用rc6、rc7），同時該微控制器還預留出4只管腳的介面（ra0～ra3），可以工作在通用i/o或者a/d方式，便於未來與其它感測器或控制器介面。
圖3一路dds訊號發生單元
2.2 dds訊號發生單元
dds訊號發生單元使用兩片ad9850直接數字頻率合成器[2]（參見圖3，圖3為其中一路，另一路與之完全相同）。該款dds具有較高的價效比，可以產生最高至62.5mhz的訊號，32bit頻率解析度（即在125mhz時鐘下可以達到0.
0291hz），相位直接控制精度達11.25度，可以採用8位並行或序列方式傳輸總長40bit的控制字。為了實現頻率的快速更新，電路設計中採用了並行的傳輸方式，這樣就能用5個位元組完成dds頻率及相位控制字的更新。
而且為了節省匯流排資源，兩枚dds晶元共用8-bit資料線、復位線和序列時鐘線，只是採用不同的資料更新控制線fq-ud。
儘管11.25度的相位控制精度在應用中已基本滿足需求，但考慮到實驗研究的需要，可能需要更高的相位控制精度（如1度左右）。這一點可以通過以下兩種方法來實現：
一是通過改變兩路資料更新線fq-ud間上公升沿的延時來實現。考慮到微控制器的定時精度約為0.2μs，這一方法在訊號頻率為50khz時可以達到3.6度的相位控制精度。
二是通過短時間內改變兩路訊號的頻率一致性，使得其中一路的頻率比另一路偏高幾赫茲來實現的。這種方法的原理與高頻通訊中通過調頻的方法實現調相的原理基本相同，可以實現優於0.1度的相位控制精度。
例如：兩路訊號中的一路頻率為50khz，另一路為50.001khz。
開始時兩路相位相同，200μs（即10個週期）後兩路相位差變為10×360/50000=0.072度。
2.3訊號隔離單元
考慮到訊號的放大部分電壓較高（約為260v），而且訊號發生部分還需要和計算機介面，為保證電路能完全可靠地工作，在訊號發生單元和放大單元間加入了一級訊號隔離單元。該單元使用一片hp2531高速光耦作訊號傳遞元件。該光耦具有3mhz的頻寬，內帶兩路獨立的光耦，在1khz～300khz間作為線性光耦使用具有較好的線性度。
在光耦的輸入端還加了一級三極體射極跟隨電路，從而保證光耦輸入端的電流處於較佳的工作點上（參見圖4）。
圖4訊號隔離單元
2.4訊號放大單元
該單元採用兩片pa08系列高壓運放[3]。這種晶元採用8腳to3封裝，可以在±15v～±150v電源範圍內工作，輸出電流可達±150ma，1mhz處的增益頻寬積為5mhz。該晶元在使用上與普通運放基本沒有差別，只是考慮到超聲電機的負載特性，在電路中加上了耐壓200v以上的超快恢復二極體，對運放的輸出端加以保護，防止電路諧振時產生的反向電壓超出晶元的極限壓差300v。
此外，諞晶元通過外接兩枚電阻（圖5中的r7、r8）對輸出電流加以限制，實現對電路的保護作用。電路使用的高壓電源直接由220v交流市電整流產生，通過兩枚130v的穩壓管和串連在迴路中的功率電阻向高壓運放提供工作電源。輸出訊號的幅度可以方便地通過改變運放的增益係數實現（調節圖5中的電位器r11即可）。
2.5溫度感測器單元
溫度感測器部分採用兩種方案：
一種是使用max6656[4]。該晶元共提供3路溫度感測器，片內一路，片外兩路，溫度解析度為0.125。
此外，該晶元還提供3路電壓監測以及溫度、電壓的超限報警。資料的傳送採用i2c匯流排。電路通過在片外接兩枚sot23封裝的pnp三極體2n3904來實現對超聲電機機殼溫度的兩點採集，採集的結果由微控制器處理後送pc機進行監測處理。
另一種是採用lm74溫度感測器[5]。該款溫度感測器採用so-8封裝，可直接將溫度感測器貼在電機機殼上。該溫度感測器的解析度為0.
0625℃,而且由於是直接將溫度進行a/d量化後通過spi匯流排傳輸，因而不受一般外接導線電阻以及電路佈線、干擾的影響。使用該晶元唯一的不足是需要從電路板上引出4～5根連線，不如前一種方案中兩根連線（實際選用的是2mm細同軸電纜）方便。
3日本新生公司的超聲電機驅動及控制電路簡介
新生公司的超聲電機驅動電路能夠輸出兩路頻率在50khz附近、相位差90度的正弦訊號，通過頻率微調的方式調節超聲電機的轉速，由外接的開關控制電機的啟動和運轉方向。此外還能通過電機上預留的反饋極實現頻率小範圍的自動跟蹤。該電路除功率驅部分和變壓器外，大部分單元已經整合到新生公司定製的積體電路缺點在於訊號的相位固定，訊號電壓的調節也不方便，此外電機沒有預留出較靈活的控制介面，電機的控制策略也較簡單。
由於大部分的超聲電機並未設定專門的反饋極，所以該電路一般只適合於該公司的特定系列的超聲電機。此外，由於該電路使用24v直流電壓供電，因此使用中還需要專門配備一
功率不小於10w的整流電源，使用起來不方便。
4實驗測試
實驗使用20mhz有源晶振作為微控制器和dds共用的時鐘源。本文設計的電路可以在20khz～300khz範圍內產生兩路穩定的工弦波，訊號峰-峰值最高可達250v，兩路最大輸出功率之和約為5w。在驅動新生公司usr30型超聲電機時，輸出訊號頻率隨電機溫度在50.
1khz～49.2khz間變化（溫度公升高驅動頻率降低），vpp=210v時單路輸出電流ipp約為230ma。
本超聲電機驅動及控制系統具有如下優點：
系統結構簡單，功放部分無需輸入變壓器及阻抗匹配電路，可靠性高；無需電源變壓器，可直接採用市電供電，使用方便；程式開發難度小，使用者可以在計算機上方便地使用各種熟悉的程式設計環境（如vc、vb、matlab等）完成控制程式的編寫；頻率及相位的控制精度高，訊號幅度的調整也比較方便；通過電路自帶的溫度感測器和附設的介面可以方便地進行反饋參量的採集；通用性好，適合大部分中低功率的超聲電機（5w以下）。
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