基于DDS技术的超声波电机驱动控制研究

摘要

超声波电机是目前广泛使用的一种新型直驱电机，其超越了电磁电机的范畴，在压电陶瓷的逆压电作用下产生超声振动，通过定转子之间的摩擦力将微观振动转换成转子的宏观转动，在多个领域均有应用，而电机的驱动控制技术一直是研究中的热点课题。
　　本文首先介绍了超声波电机的优缺点、发展历史及应用领域，介绍了DDS技术的发展、特点、原理和其与超声波电机的关系。对超声波电机的结构特点和运行原理进行了深入的分析，在此基础上得出了超声波电机的驱动方式和三种调速手段。
　　深入研究了基于DDS技术的超声波电机驱动电路，针对实验室现有超声波电机设计了一款具有良好通用性的超声波电机驱动器。主控芯片采用TMS320F28335，驱动技术采用DDS技术和线性功率运放的驱动电路，着重介绍了该驱动电路各个硬件模块设计，并进行了性能测试，实验证明该驱动电路输出信号频率、幅值和相位的精度较高。在驱动性能上和传统逆变式驱动电路进行了对比，突出了基于DDS技术的超声波电机驱动电路的优势。
　　通过辨识法建立了电机的二阶模型，在控制平台上对超声波电机的运动控制性能进行了实验。将经典PID控制理论应用于超声波电机的控制中，利用该控制系统跟踪阶跃信号、斜坡信号和加速度信号，分析了PID控制算法的不足。有针对性的设计了Ⅱ型控制系统，并将其应用于超声波电机，实验表明在跟踪斜坡信号和加速度信号时表现出良好的性能。进行了超声波电机的位置伺服控制，设计了位置-速度串级控制系统，采用双环PID控制，并将设计系统应用于超声波电机，以阿基米德螺旋曲线为位置设定值进行了位置伺服实验。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 超声波电机概述

1．1．1 超声波电机的发展历史

1．1．2 超声波电机的特点

1．1．3 超声波电机的应用现状

1．1．4 超声波电机的驱动控制要求

1．1．5 超声波电机的分类

1．2 直接数字频率合成(DDS)技术

1．2．1 DDS技术概述

1．2．2 DDS技术的特点

1．2．3 DDS技术与超声波电机

1．3 本文的研究内容及研究意义

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 研究的意义

第二章 行波超声波电机运行理论及DDS技术原理

2．1 行波超声波电机结构与运行理论

2．1．1 行波超声波电机结构

2．1．2 行波超声波电机运行理论

2．2 行波型超声波电机速度控制特性和驱动方式

2．2．1 超声波电机调速原理和方式

2．2．2 超声波电机的驱动方式

2．3 DDS技术原理和结构

2．4 本章小结

第三章 基于DDS电路的超声波电机驱动电路研究

3．1 超声波电机驱动控制系统

3．2 TMS320F28335芯片介绍和SPI通信原理

3．2．1 TMS320F28335芯片介绍

3．2．2 SPI通信原理

3．2．3 基于TMS320F28335的测速方法介绍

3．3 驱动电路的实现

3．3．1 AD9959芯片介绍

3．3．2 DDS外围电路

3．3．3 功率放大电路

3．3．5 变压器制作

3．4 基于DDS技术的超声波电机驱动控制系统

3．4．1 硬件平台搭建

3．4．2 控制软件设计

3．5 本章小结

第四章 基于DDS技术驱动电路的性能及与传统电路的对比

4．1 逆变式超声波电机驱动电路驱动特性测试

4．1．1 推挽式逆变驱动电路

4．1．2 全桥式逆变驱动电路

4．2 基于DDS技术的超声波电机驱动电路的驱动特性测试

4．3 三种超声波电机驱动电路的分析与比较

4．4 本章小结

第五章 超声波电机运动控制性能实验

5．1 辨识法建立TUSM60速度控制模型

5．1．1 阶跃响应下电机特征参数提取

5．1．2 超声波电机调频控制稳态转速模型

5．2 超声波电机的速度伺服控制系统

5．2．1 PID控制原理

5．2．2 超声波电机速度伺服实验

5．2．3 PID控制存在的问题及分析

5．3 设计Ⅱ型系统针对典型输入信号

5．3．1 系统结构及参数分析

5．3．2 Ⅱ型系统动态响应特性仿真

5．3．3 Ⅱ型系统应用在超声波电机上的响应特性实验

5．4 超声波电机位置伺服控制

5．5 小结

第六章 总结与展望

6．1 主要的贡献

6．2本文的不足和研究工作展望

致谢

参考文献