用可编程逻辑器件设计新型压电马达驱动电路

第24卷第4期 中南民族大学学报(自然科学版) V o l.24N o.4 2005年12月 Journal of South2Central U niversity fo r N ati onalities(N at.Sci.Editi on) D ec.2005
α用可编程逻辑器件设计新型压电马达驱动电路
闻　敏1　金祥瑞2　谢菊芳3
(1华中科技大学电子与信息工程系,武汉430074;2武汉科技学院数理系,武汉430073;
3湖北大学物电学院,武汉430062)
摘　要　提出了一种新的压电马达驱动电路设计方法,用可编程逻辑器件制作了驱动电路的波形发生部分,经过在M A X+PLU S 10.2软件上的仿真,结果表明:输出频率稳定度高,可以得到所需的结果.
关键词　可编程逻辑器件;压电马达;驱动电路;波形
中图分类号　TN492　文献标识码　A　文章编号　167224321(2005)0420051203
Appl ica tion of PLD i n D r iv i ng C ircu its of P iezoelectr ic M otor
W en M in　J in X iang ru i　X ie J uf ang
Abstract　A new design m ethod fo r driving circu its of p iezoelectric mo to r w as p ropo sed.T he w avefo rm needed can be ob tained by PLD.By u sing M A X+PLU S 10.2,expected resu lts can be ach ieved.
Keywords　PLD;p iezoelectric mo to r;driving circu it;w avefo rm
W en M i n　M aster′s Candidate,D ep t of E lectron ics and Info rm ati on Engineering,HU ST,W uhan430074,Ch ina
压电马达是近年来发展起来的新型驱动器,对其性能、应用等的研究与开发活跃在美国、日本、德国以及我国部分重点高校及研究所.压电超声马达是从工作原理、结构和材料等方面都与传统马达不同的一种新型微电机,它利用压电陶瓷的逆压电效应,在驱动电路激励下,由压电振子把电能变换成机械能,通过定子与转子之间接触摩擦力推动转子运动.在压电马达驱动电路的波形发生部分,提出了如计算机频率产生电路、集成电路压控振荡器、逻辑控制器和模拟电路的自激式振荡等各种实现方法.
随着可编程逻辑器件(PLD)和现场可编程门阵列(FPGA)器件的飞速发展,它的速度快、集成度高和现场可编程的特点,越来越受到硬件电路设计工作者的重视,将其应用到压电马达的研究上,本文提出了一种基于直接频率合成技术[1],用可编程逻辑器件设计驱动电路中波形发生电路的方法,它具有频率分辨率高、频率变换速度快等优点,并且可直接合成驱动压电马达的正弦波或其他各种波形.
1　压电马达驱动电路及其波形发生电路的结构及原理
要使压电马达工作在最佳状态,需要有一个特定的振型来驱动压电马达,驱动电路必须使压电振子工作在谐振状态下,而压电振子的谐振频率只能在设计时大致估计其范围,不能精确确定,因此驱动电路的频率应可根据需要进行调节.由于计算机或其他集成电路驱动电路频率分辨率比较低[2],模拟电路驱动电路频率调节范围不够宽,并且所合成的波形多为方波,研究显示[3],为了高效率驱动压电马达,驱动压电马达的最好波形为正弦波,本设计基于这一思想,采用直接频率合成技术,用可编程逻辑器件设计出一种新型的无源定子型压电马达驱动电
α收稿日期　2005209209
作者简介　闻　敏(19662),女,硕士研究生,研究方向:电子与信息系统,E2m ail:w enm hy@ 基金项目　教育部留学回国人员科研基金资助项目(4105066)
路,其原理如图1所示
.
图1　新的无源定子型压电马达驱动电路原理图
它包括时钟电路,相位累加器,正弦波查找表,
数模转换器,滤波器,功率放大器等.为了简化电路设计,时钟电路可采用内有晶体振子的可变频率的振荡电路,数模转换器使用低价格的C M O S 乘法运算的数模转换器[4],滤波器和功放部分采用模拟电路来实现[5].
本设计中的波形发生部分的相位累加器、正弦波查找表可由A ltera 公司提供的FPGA 实现.其基本工作原理为:每来一个时钟脉冲(频率为f c ),N 位的相位累加器将输入的频率字K 与相位累加寄存器(最大输出为2N -1,对应于2P 的相位)的值相加,相位累加器的输出对应于该时刻合成周期信号的相位,其结果一方面反馈到相位加法器,使其在下一个时钟到来时与K 相加;另一方面,取出高M 位到正弦波查找表,根据正弦ROM 查找表得到相应的正弦信号幅值.得到的正弦信号量化值经过数模转换和滤波则可得到相应的频率为f o 的正弦波,输出频率f o 由f c 和K 共同决定:
f o =
K
2N
f c .
2　波形发生电路程序设计
波形发生电路主模块程序采用V HDL 描述,其输入为频率字和系统时钟,输出为正弦波信号幅度的量化值.在此输入频率字和正弦信号的量化值的位数均为8位.
波形发生电路的实体设计如下:
en tity S I N is
po rt (reset :in std
logic ;
clk :in std logic ; sync :in std logic ; K :in std logic vecto r (7dow n to 0);
sin ou t :ou t std logic
vecto r (7dow n to
0));end S I N
其中:reset 为系统复位信号,clk 为系统时钟信号,sync 为同步信号,K 为输入频率字,sin ou t 为正弦波输出.
波形发生电路的结构体描述主要部分如下:arch itectu re arch S I N of S I N is
signal p hase :std logic vecto r (7dow n to 0);
…
…;begin
输入相位累加过程
　p rocess (reset ,clk )　begin
if reset =’1’then
p hase <=(o thers =>’0’);　elsif clk’even t and clk =’1’then if sync =’1’then
p hase <=(o thers =>’0’); else
p hase <=p hase +K ; end if ;　end if ;end p rocess ;…
end arch S I N ;
正弦波查找表可采用A ltera 公司的L PM ROM 模块,为了节省硬件资源,根据正弦信号在0～2P 内镜像对称,可将ROM 表减到原来的1 2,又由于在0～P 内对称,可将ROM 表减到原来的1 4[6].
以上程序在M A X +PLU S 10.2软件平台上
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编译仿真,当压电陶瓷谐振频率为31kH z 时,适当调节输入时钟源的频率,可得到频率为31kH z 的正弦波的量化值,如图2所示,改变输入频率字K 或者时
钟频率f c 即可根据压电陶瓷的谐振频率对驱动电路频率进行微调,使电路达到谐振
.
图2　波形发生电路仿真波形之一
压电陶瓷谐振频率为43kH z 时,其驱动电路振荡频率应为43kH z ,
波形发生电路部分的仿真波形
如图3
.
图3　波形发生电路仿真波形之二
3　结语
利用可编程逻辑技术合成了驱动压电马达的正
弦波波形,改变输入频率字K 或时钟源的频率f c 就可产生频率范围很宽的正弦波,所产生的频率可根据压电陶瓷的谐振频率进行调节,且输出频率稳定度高.
参　考　文　献
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