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指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
4、研究方法的科学性；
技术线路的可行性；
设计方案的合理性
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
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建议成绩：
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指导教师：
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评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
二、论文（设计）水平
评阅教师：
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
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评定成绩：
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
教学系意见：
系主任：
摘要
超声波电机（USM）具有调频、调相、调幅三种驱动控制方式，驱动电路的设计很大程度上决定了电机的性能，国内目前现有的驱动系统大多控制方式单一且精度较低，达不到精确控制的要求，因此设计精度高、响应迅速、定位准确的超声波电机驱动系统，具有重要的现实意义。
本文分析了当前国内外相关超声波电机驱动技术，针对驱动系统的设计要求，研究开发了基于直接数字频率合成（DDS）技术的超声波电机驱动系统。
在分析研究DDS工作原理和基本结构的基础上，介绍了超声波电机驱动系统方案设计过程，完成了超声波电机驱动系统硬件设计。
系统以单片机AT89LS52为控制器，两片AD9854产生两路相位、幅度、频率均连续可调的正余弦信号，采用MAX274设计八阶巴特沃斯带通滤波器去除信号噪声，两级放大电路实现800倍电压放大，其中第二级以高压运算放大器PA85为核心，实现功率放大，光电编码器作为反馈装置实现系统闭环控制。
在完成电路原理设计的基础之上，完成了印刷电路设计以及电路板调试工作。
采用KEILC编程语言完成了系统软件设计，实现了调频、调幅、调相、键控频移、二进制键控相移等多种信号调制方式，可以分别采用调频、调幅、调相方式对电机进行精确调速。
系统调试与分析的结果表明，本文开发的系统满足课题设计要求。
关键词：
超声波电机直接数字频率合成技术（DDS）驱动与控制AD9854PA8
Abstract
UltrasonicMotor（USM）hasthreecontrolmethods:
frequencymodulation,voltagemodulationandphasedifferencemodulation,andthedrivingsystemisveryimportanttotheperformanceofthemotor,mostofexistingdrivingsystemsatcurrentdomestichavesinglefunctionandlowcalculationprecision,whichcan'
treachtheprecisecontrolrequirments.Itisofgreatpracticalsignificancetodesignahigh-performance,accurate,rapidresponsedrivingsystem.
AdivingsystemofUSMbasedonDirectDigitalFrequencySynthesis（DDS）techniquehasbeendevelopedtothedirvingdesireoftheUSMafterresearchingthecurrentdrvingtechniqueathomeandabroad.Firstly,thesystemhardwaredesignhasbeenfinishedafterpresentingtheprincipleandcharacteristicsofDDS,whichtakesAT89LS52asthecontroller,two-pieceofAD9854asthesignalgenerator,MAX274asthefilter,PA85asthecoreofthepoweramplificationandphotoelectricencoderasthefeedbackequipment.Secondly,thesystemsoftwarehasbeendesigned,whichcanrealizeseveralsignalmodulationmodesuchasFM,AM,PM,FSK,BPSK.Threewaysofspeedregulationarerealizedincludingfrequencymodulation,voltagemodulationandphasedifferencemodulation.
Ithasbeenprovedthatthesystemmeetsthedesignspecificationsafterthesystem’sdebugandanalysis.Theresearchpresentedinthethesisoffershelptothecurrentstudyofdriveandcontrolsystem.
Keyword:
UltrasonicMotor（USM），DirectDigitalFrequency
Synthesis（DDS），DriveandControl，AD9854，PA8
1绪论
1.1超声波电机概述
超声波电机（UltrasonicMotor，简称USM）的基本结构及工作原理完全不同于传统的电磁电机，它不是以电磁作用传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动（频率≥20kHz），然后通过定、转子之间的接触和摩擦力将交变的振动转化成旋转运动或直线运动，实现从电能到机械能的能量转换[1]。
由于超声波电机特殊的工作原理，它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能，如低速大转矩、体积小、重量轻、功率密度大、响应速度快、微位移、不受电磁场的影响、掉电自保护、设计自由度大、可直接驱动负载等[2-4]。
可以说，超声波电机技术是当今世界极有发展前途的技术之一。
目前USM产业化和实用化正在快速发展，在一定程度上开始取代某些小型电磁电机。
国外在上世纪90年代开始进入超声波电机的实用化、商品化开发阶段。
如日本已将超声波电机广泛用于照相机镜头的自动聚焦系统[5]；
三星公司将微型超声波电机用于手机摄像头；
美国JPL实验室研制的用于宇宙飞船船体检测的爬壁机器人驱动装置[6]；
Akihiro公司将其用于高档手表的振动报时；
高档汽车中应更加广泛：
座椅调整、方向盘位置调整、后视镜角度调整、以及应用于门窗、雨刮器、刹车传动装置等；
此外办公设备、家电和PC机、平板振子输送纸机构、X-Y绘图仪、直角坐标自动定位装置等也有所应用，体现了超声波电机广阔的应用前景[7]。
日本在该领域的研究处于世界领先地位，几乎拥有大部分有关超声波电机的发明专利，并且个别种类的超声波电机已经实现产业化，在国民经济中发挥着重要作用[8]。
我国在这方面的研究虽起步较晚（90年代初），但也取得了一些突破性成果，如南京航空航天大学研究已经取得了原创性和先进性的成果，成功研制出十余种旋转型行波与驻波超声波电机，并且达到了小批量的产业化和商品化；
清华大学已研制出直径1mm的弯曲旋转超声波电机；
哈尔滨工业大学研制出的三维接触驱动式超声波电机、无轴承新型超声波电机、双定子单转子式超声波电机等。
1.2超声波电机驱动技术现状
1.2.1超声波电机控制方法
根据超声波电机的运行机理，比较常用的控制方式如表1.1所示
表1.1几种常用控制方法比较
几种控制方法各自的优缺点决定了各自的应用场合:
调频调速相应快，易于实现精确控制，对超声波电机最合适，但工作时谐振频率的漂移要求有自动跟踪频率电路;
调相调速换向平滑，适用于需要频繁正反向换向的场合;
调幅调速调节范围有限，电压过低压电元件会不起振，过高又会接近压电元件的工作极限，较高的电压对应用面也有限制，一般不太采用;
脉宽调幅调速因为调节比较复杂一般也很少使用。
1.2.2驱动技术的发展
超声波电机结构确定以后，其性能不仅取决于电机本身，在很大程度上取决于驱动控制系统设计的好坏。
与普通电机不同的是：
超声波电机属于容性负载，具有强烈的非线性特征，而且目前还没有没有适合于控制的数学模型[9]，这就决定了其驱动控制器的设计有别于普通电磁型电机感性负载的情况。
因此，如何设计一个既满足性能要求又具有结构简单、实用、响应迅速、定位准确、精确度高等特点的USM的驱动控制系统，则是USM进一步小型化、产品化和实用化所首先需要解决的问题。
下面对几种常见的驱动方案做一下简单介绍。
（1）典型的超声波电机驱动系统
基本的驱动电路框图如图1.1所示，由高频信号发生器产生基准的方波信号，经移相器分成两路相位差90°
的超声波电机所需频率的两相方波，再经过逆变升压电路，得到电机所需的驱动信号[10]。
频率跟踪电路测得电机的电压信号来判断电机的是否工作在谐振频率点上，以此来调整高频信号发生器的输出信号。
其中高频信号发生器经常采用的器件为LM555、LM565、4046等；
逆变升压电路一般采用推挽式功放电路，用4个功率场效应管阵列，通过变压器耦合，与超声波电机的压电陶瓷组成谐振回路，如Panasonic公司、Shinsei公司的马达都采用了场效应管阵列作为功放。
图1.1典型的超声波电机驱动系统原理框图
目前这种方法使用比较广泛，只是因为变压器必须与不同型号的超声波电机匹配，通用性差，而且变压器的存在极大阻碍了电源装置的小型化，影响超声波电机在特定场合的应用和产品开发。
当产品要求体积小、重量轻（如照相机、便携设备等）时，使用变压器的超声波电机驱动装置几乎是不可能的。
近年来，随着FPGA/CPLD、单片机和DSP技术的发展，逐渐抛弃了使用分离元件搭建驱动电路的方法，将信号发生、分频移相以及控制电路等整合到大规模集成电路中，提高了信号的精度与稳定性，同时也使驱动系统小型化成为可能[11]。
（2）基于直接数字频率合成技术（DDS）的驱动电路
传统的超声波电机驱动电路普遍存在体积大、性能单一等问题，难以利用计算机进行电机的控制特性研究。
近年来发展起来的直接数字频率合成技术可以较好地解决上述问题。
应用DDS技术搭建的驱动电路如图1.2所示，主要由DDS信号发生单元、信号功率放大单元构成。
工作过程如下：
控制器控制DDS信号发生单元产生两路独立的正弦信号，两路信号间的相位差可以在0°
～360°
范围内任意调节；
两路信号分别经低通滤波器、高压运放进行放大，用于驱动超声波电机。
将直接数字频率合成器作为信号发生单元，可以方便地实现调频、调相和调压，使电机运转在最佳状态[10]。
图1.2基于DDS技术的驱动电路
（3）采用LLCC谐振技术的驱动电源
在绝大多数传统驱动方式中，两相电路的品质因数不同且随时间变化，这将引起电压增益的严重畸变，导致两相正弦输出电压不稳定。
因此，超声波电动机的动态性能很差。
为解决这个问题，国外学者提出了利用高阶逆变器改进传统电路的方法，通常的做法是采用四阶LLCC型逆变器。
与传统的驱动电路相比，该逆变器仅在每相电路中多加了两个电抗元件。
它包含了三阶LCC型和LLC型逆变器的优点，所以运用LLCC型两相高频电压逆变器驱动超声波电动机，将会使电动机的工作性能更加优良。
通过四个电抗元件之间的参数调节，可以使该电路工作在谐振频率下，此时输出电压的幅值和相位便不会因为品质因数的波动而受到影响。
图1.3传统驱动电路（A）与采用LLCC技术的驱动电路（B）的构成示意图
1.3驱动电路的设计要求
根据超声波电机的结构特点和运动机理，对驱动电路的设计提出如下要求[11]：
（1）提供在超声频段内具有一定功率的两相正交的同频、等幅的正弦交流电压；
（2）为满足定子共振条件并产生行波，要求具有变频功能和鉴相功能；
（3）由于驱动电压值较高，电路应进行电器隔离式设计；
（4）超声波电机具有容性负载特性，需要设计匹配电路，以实现功率匹配、滤波和谐振升压的功能；
（5）为保证超声波电机正常的运行，应在驱动电路中设计相关对频率、电压等量的限制电路以及启动电路；
（6）根据电机的运动机理和应用要求，选择调压、调频或调相中的一种方式或混合方式进行调速和定位控制；
（7）为了满足超声波电机输出性能的稳定性，需要对电机的驱动、振动、运转等状态进行监测；
（8）系统应具有正、反转控制功能，同时为了弥补相同条件下正反转速度不一致的弊端，还应能实现正反转速度平衡控制；
（9）由于超声波电机的非线性，难以建立其数学模型。
为了实现超声波电机快速、准确、稳定的控制，系统应选择合适的反馈信号和控制信号，并设计相关的控制算法。
2驱动控制器总体方案设计
2.1系统总体方案简介
超声波电机种类繁多，每种电机对于驱动的要求有很大不同。
本课题研究的超声波电机类型为环形行波超声波电机，无特殊说明，下文提到的超声波电机均为此类型。
在超声波电机驱动系统中，微控制器一般会选择信号处理速度快的DSP，但考虑到实际性能需要，微控制器主要作用是向DDS器件发送控制字，接收反馈信号，运行信号处理程序，以及和上位机通信，对于速度要求并不是很高，单片机即能满足要求，另外，使用单片机作为微控制器还有控制简单，开发周期短、成本低等优点，故在方案中选择单片机作为微控制器。
本系统设计最重要的部分是DDS信号产生电路，经过比较，我们最终选定AD9854专用DDS芯片作为信号产生器件，系统其他部分电路设计围绕AD9854进行。
在单片机选型中一个比较重要的问题，就是单片机同AD9854的电平匹配问题。
AD9854采用3.3V电源供电，为3.3VCMOS电平，而一般常用的51系列单片机都为5V供电，使用5VTTL电平，如果直接驱动AD9854，由于驱动电压过高，将会对AD9854造成不可恢复的损害，因此，在方案设计的时候，应选择3.3V供电，使用3.3VCMOS电平的单片机。
ATMEL公司是世界上高级半导体产品设计、制造和行销的领先者，其生产的51系列的单片机型号丰富，性能优良，占有极大的市场分额。
在本设计中选用了ATMEL公司生产的AT89LS52单片机，它采用3.3V电源供电，3.3VCMOS电平，可以同AD9854直接相连，不用再设计电平转换电路，降低了硬件电路的复杂度。
超声波电机速度特性具有严重的非线性，目前还没有建立精确的数学模型，导致其速度控制成为一个难点，在实际应用中必须加反馈电路，形成闭环控制以实现精确的速度控制。
反馈电路一般有两种方式：
间接反馈和直接反馈。
超声波电机提供了一个孤极反馈，利用压电材料的压电效应，输出与电机转速成一定线性关系的电压信号，可以用此来控制驱动电路的波形产生芯片，形成闭环驱动电路。
因为是间接测量，输出电压与电机转速也不是严格的的线性关系，准确度得不到保证，不适用于高精度场合。
直接反馈一般是在电机轴上安装测速装置，如光电编码器，直接测出电机转速信息反馈给单片机，测量精确，有成熟的信号处理电路。
本方案选择光电编码器作为直接反馈组成反馈电路。
综合以上几节内容，驱动电路最终方案的原理图如图2.1所示。
以下比较详细的介绍系统主要部分的方案选定过程。
图2.1驱动电路方案原理图
2.2DDS技术工作原理及方案选择
为了实现超声波电机精确的位置和速度控制，需要产生两路正弦波，并使其频率在35~100KHz，振幅在0~140V，相位差在-180°
~180°
之间均能连续可调，还要保证信号的精确度和稳定度，直接数字频率合成技术（DDS）能够满足系统要求，故基于DDS技术设计了本方案。
选取DDS芯片AD9854来产生两路正余弦电流信号，作为超声波电机的驱动信号，下面将对DDS的工作原理和系统的总体设计进行介绍。
2.2.1DDS技术概述
DDS或DDFS是DirectDigitalFrequencySynthesis的简称，这个概念在1971年由J.Tierney和C.M.Tader等人在“ADigitalFrequencySynthesis”一文种首次提出的[12]，被视为继直接合成，锁相频率合成技术之后的第三代频率合成技术[13]，它突破了前两种频率合成方法的局限性，从“相位”的概念出发进行频率合成，这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位。
在这一技术出现的初期，限于当时的技术和微电子工艺水平，其性能指标尚不能与已有的技术相比，因而并没有得到足够的重视，随着近年来现代集成工艺水平的高速发展，特别是在80年代末经过深入研究认识了DDS杂散成因及分布规律后，对DDS的相位累加器进行了改进，对ROM里的波形数据进行了压缩，使用抖动注入技术以及对DDS工艺结构和系统结构进行了改进，使得DDS技术得到了飞速的发展。
目前它广泛应用于传统上需要信号频率源的各个场合，例如在雷达领域的捷变频雷达、有源相控阵雷达、低截获概率雷达，通信领域内的跳频通信、扩频通信，电子对抗领域的干扰
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