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基于FPGA及DDS技术的USM测试电源的设计

嵌入式公社?? 2010年12月15日 ?? 收藏0

  超声波电机(USM)具有能够直接输出低转速大力矩,瞬态响应快(可达ms量级)、定位精度高(可达nm量级),无电磁干扰等诸多优点。USM的运行需要有两路具有一定幅值,相位上正交(或可调),频率在20 kHz以上的高频交流电源。驱动信号源的幅值、频率及相位直接影响USM的性能。为便于USM的性能测试及研究,需要提供一种在幅值、频率、相位上均可调的测试电源。以往的超声波驱动器多采用分立器件构成如文献,其电路结构复杂。文献虽然改用FPGA或CPLD生成,但所生成的信号频率变化是不连续的。文献是用单片机和专用的DDS芯片,存在抗干扰性差,可靠性低的弊端。

  本文介绍了基于DLL数字频率直接合成技术(DDS)用ALTERA公司的FPGA器件和VHDL语言编程,按相位累加的方法产生两相四路频率相位可调的高频PWM信号,经过驱动电路、光耦隔离电路作为外部功率控制电路H桥的四个闸门驱动信号,H桥主回路接入的是对市电经调压、隔离、整流及滤波后的直流电。由闸门驱动信号对该直流电进行通断控制,形成可调幅值、频率、相位差的两相高频PWM波的交流信号,再经外加电感平滑,将PWM波信号变成类正弦波信号,实现对USM的性能测试。

  1 功率控制电路

  如图1所示,加于USM的A、B两相交流信号是由FPGA产生的四路脉冲信号控制MOS管开关对整流滤波后直流电进行通断控制,在图1所示H桥逆变器的作用下,将直流电逆变为与逆变器开关频率相同的矩形波交流电,经串联电感平滑,就得到了USM所需的两相高频类正弦波信号。该信号可由主回路的调压器调节幅值,A、B两相的相位差取决于H桥两侧闸门驱动信号的相位差,即闸门S1与S2(或S3与S4)驱动信号的相位差。同侧桥臂不能同时导通,以避免大电流通过MOS开关管而损坏开关管,理论上同侧的两个控制信号应该相位互补,实现推挽输出,考虑到开关器件的延时特性,该信号开启闸门时要有一定的延时,即死区时间。鉴于以上分析及USM性能测试的需求,闸门控制信号应具有频率、相位、死区时间均可调的占空比大于50%的PWM高频波。

功率控制电路

  2 PWM调频调相高频信号的产生

  参考文献的DDS设计,将一个周期的矩形波幅值进行2n等分后按顺序存于一个表格中,用高频时钟fclk依次按表中地址顺序读取其数据(幅值)。利用相位累加器可以每隔M个地址,读一个幅值信息。矩形波频率正比于输入时钟频率和相位增量M之积,即为基频时钟fclk/2n的M倍。通过调节步距M(频率控制字)可调节信号的频率。调节首次所读ROM表的地址,可调节矩形波的相位,称该调节参数为相位控制字。若ROM查找表中0,1各占一半则可得到频率、相位连续可调的方波信号;改变表中1的比例,就会得到不同脉宽的矩形波。若能从外部调节1的比例,就生成了一路频率、相位、占空比可调的PWM信号。由于表中只有两种数O和1,且均连续出现,因而可用比较器替换ROM表,将原来的地址发生计数器的计数值划分为2部分,一部分对输出信号清零,另一部分对其置1。2种方案相比,后者大大节约了FPGA资源。RTL级原理图如图2所示。

RTL级原理图

  程序设计中的FWORD[16..O]为原理描述中的频率控制字M,连接于32位计数器F32[32..6],其输出信号FOUT的频率按如下公式计算FFOUT=fclk/222·FWORD,频率分辨率为Fmin=25fclk/222,最大输出频率为Fmax=Fmin FWORDmax。当系统频率fclk=50MHz时,Fmin=0.745 Hz,Fmax=97.648 kHz,即输出频率可在O.7~97.6 Hz之间调节。相位控制字为9位,输出信号FOUT的相位可按如下公式计算:POUT=360°/2°×PWORD,最小分辨率为360°/2°=0.7°。DIEIN[8..O]为占空比(死区)调节控制字输入,占空比按计算公式:(29-DIEIN)/210x1 00%,最大占空比为50%,最小接近于O,占空比的调节以使图一H桥同侧的两个MOS管刚好不同时导通为度(故占空比不能大于50%),占空比太小会使整个系统转换效率降低。

  以单相调频调相PWM信号设计作为底层元件,利用VHDL的结构化描述方式(例化语句),按相位要求将4个单相调频调相信号DDS元件设置成不同相位来实现。相位字PWORD为9位,U0:PWORD=O,初始相位=0;U2:PWORD=“100000000”,初始相位为180°;U1元件的初始相位PWOR-D,U2元件的初始相位为PWORD+“00000000”,这就实现了UO和U1相位差为PWORD,U0和U2,U1和U2相位差各为180°,从而实现四路调频调相PWM信号设计。


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FPGA? DDS? USM测试电源? PWM?

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