基于NiosⅡ的超声电机驱动控制电路

超声电机是一种新型微特电机，其工作原理是通过压电材料的逆压电效应，使定子在超声频段微幅振动，依靠摩擦将振动转换成动子的旋转(直线)运动。超声电机具有体积小，重量轻、结构紧凑、响应快、无电磁干扰等优点，在航天宇航和军事装备等领域有着广泛的应用前景。

近些年来，我国在超声电机控制方面，提出了一些控制理论，并搭建了一些用于超声电机驱动的实际驱动与控制电路。2010年，薛雯玉硕士研究了基于DSP芯片的超声电机驱动控制器，但驱动电路仍以传统的模拟电路为主，精度不高，不能实时的调频、调相。2011年，孙霖硕士研究了基于DSP/FPGA的超声电机驱动控制器，利用DDS技术产生数字正弦波，虽然提高了精确度和实时性，但是浪费了很多芯片的逻辑资源，也不利于驱动控制电路的小型化。

本文使用Altera公司的EP3C400240C8芯片设计了一种以FPGA为核心、基于SOPC技术和NiosⅡ软核处理器的新型超声电机驱动控制器。在FPGA内部用SOPC(可编程片上系统)的思想定制了一个NiosⅡ软核处理器作为控制运算部分，用Verilog语言编写出了频率、相位、幅度都可调的DDS模块和光栅反馈计数模块，这样的一个闭环系统在满足控制精度和实时性的同时具有良好的灵活性和可重构性，并且做到了以极少的硬件资源和高度集成的系统结构去控制超声电机运行，便于驱动控制电路的小型化。

1 驱动控制器的设计

1.1 驱动控制电路

本文提出的超声电机驱动控制系统由控制驱动器和功放/升压电路组成。图1是以FPGA为核心构建的超声电机驱动控制电路。超声电机的驱动机理要求驱动器必须提供在超声频段内两相具有一定相位差的同频、等幅正弦交流电，电压在几十伏到几百伏之间。该电路的功能全部由FPGA的软件实现，控制和输出正弦交流电，大大提高了控制系统的稳定性和精确性，并使控制系统电路板的面积大幅度缩小，一块控制板可以同时控制数个超声电机。

此驱动控制系统用FPGA内部编写的DDS模块输出两路具有一定相位差的正弦波数据，然后通过DA芯片转成正弦波信号，经过功率放大之后，最后用变压器抬高电压。

该电路加载超声电机后输出的波形如图2所示，波形变的光滑很多。当超声电机在运行过程中发生频率漂移的情况时，系统也能够从速度的改变量来调整相应的驱动输出，不会出现电机速度不稳定的现象。

1.2 FPGA内部系统

图3是超声电机控制驱动电路中FPGA内部的构架。其设计的核心是可裁剪的Nios II软核和发出正弦信号的DDS模块以及读取光栅编码器反馈脉冲的计数模块。