超聲電機(jī)是一種新型微特電機(jī)，其工作原理是通過壓電材料的逆壓電效應(yīng)，使定子在超聲頻段微幅振動，依靠摩擦將振動轉(zhuǎn)換成動子的旋轉(zhuǎn)(直線)運(yùn)動。超聲電機(jī)具有體積小，重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，在航天宇航和軍事裝備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

近些年來，我國在超聲電機(jī)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(jī)驅(qū)動的實(shí)際驅(qū)動與控制電路。2010年，薛雯玉碩士研究了基于DSP芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動控制器，但驅(qū)動電路仍以傳統(tǒng)的模擬電路為主，精度不高，不能實(shí)時(shí)的調(diào)頻、調(diào)相。2011年，孫霖碩士研究了基于DSP/FPGA的超聲電機(jī)驅(qū)動控制器，利用DDS技術(shù)產(chǎn)生數(shù)字正弦波，雖然提高了精確度和實(shí)時(shí)性，但是浪費(fèi)了很多芯片的邏輯資源，也不利于驅(qū)動控制電路的小型化。

本文使用Altera公司的EP3C400240C8芯片設(shè)計(jì)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(jī)驅(qū)動控制器。在FPGA內(nèi)部用SOPC(可編程片上系統(tǒng))的思想定制了一個(gè)NiosⅡ軟核處理器作為控制運(yùn)算部分，用Verilog語言編寫出了頻率、相位、幅度都可調(diào)的DDS模塊和光柵反饋計(jì)數(shù)模塊，這樣的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)在滿足控制精度和實(shí)時(shí)性的同時(shí)具有良好的靈活性和可重構(gòu)性，并且做到了以極少的硬件資源和高度集成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)去控制超聲電機(jī)運(yùn)行，便于驅(qū)動控制電路的小型化。

1 驅(qū)動控制器的設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動控制電路

本文提出的超聲電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)由控制驅(qū)動器和功放/升壓電路組成。圖1是以FPGA為核心構(gòu)建的超聲電機(jī)驅(qū)動控制電路。超聲電機(jī)的驅(qū)動機(jī)理要求驅(qū)動器必須提供在超聲頻段內(nèi)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(xiàn)，控制和輸出正弦交流電，大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，并使控制系統(tǒng)電路板的面積大幅度縮小，一塊控制板可以同時(shí)控制數(shù)個(gè)超聲電機(jī)。

此驅(qū)動控制系統(tǒng)用FPGA內(nèi)部編寫的DDS模塊輸出兩路具有一定相位差的正弦波數(shù)據(jù)，然后通過DA芯片轉(zhuǎn)成正弦波信號，經(jīng)過功率放大之后，最后用變壓器抬高電壓。

該電路加載超聲電機(jī)后輸出的波形如圖2所示，波形變的光滑很多。當(dāng)超聲電機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生頻率漂移的情況時(shí)，系統(tǒng)也能夠從速度的改變量來調(diào)整相應(yīng)的驅(qū)動輸出，不會出現(xiàn)電機(jī)速度不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

1.2 FPGA內(nèi)部系統(tǒng)

圖3是超聲電機(jī)控制驅(qū)動電路中FPGA內(nèi)部的構(gòu)架。其設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)模塊。