超聲電機驅動和疲勞壽命集成測控系統(tǒng)?

潘 松, 王海寧 孫志峻, 黃衛(wèi)清, 楊 穎

(1.南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室 南京,210016)

(2.中國人民公安大學公共管理系 北京,100038)

1 問題的提出

超聲電機是一種新型微特電機,其工作原理是利用壓電材料的逆壓電效應,激發(fā)彈性體在超聲頻段內的微幅振動,并通過定、轉子的相互摩擦作用使轉子運轉,驅動負載[1]。運行壽命是評價超聲電機性能的一個重要指標[2-3]。由于超聲電機是通過摩擦驅動,定轉子之間存在磨損,并且負載不同對摩擦材料的影響也不同。在超聲電機使用過程中,希望能知道在交變載荷下,超聲電機可達到的最長壽命,以及在長期運行過程中其他參數(shù)的變化情況。針對超聲電機的疲勞壽命測試,有研究人員基于計算機并口,并針對超聲電機驅動器設計相應外圍電路,搭建了一套測試系統(tǒng),如圖1所示[4]。該系統(tǒng)采用了多塊電路板,并且它們之間的相互連線也較多,在長時間的應用中容易出現(xiàn)問題。如果要測多臺電機時需要多臺計算機,比較占用資源。

圖1 原測試系統(tǒng)

超聲電機疲勞壽命測控系統(tǒng)包括超聲電機驅動器、定時控制器、電流源和電源開關控制電路。如果采用普通微控制器則需要很多外圍電路,電路連線復雜,容易出現(xiàn)故障,而采用 DSP則會增加系統(tǒng)成本。 CYPRESS公司生產(chǎn)的 Programmable System on Chip[5](PSoC)可編程片上系統(tǒng)將一個 8位的微控制器與可編程數(shù)字陣列和模擬陣列集成在一個芯片上。其特點在于既具有8位微控制器的處理能力,又具有組成多種可編程數(shù)字或模擬用戶模塊的能力,可以滿足對超聲電機控制的要求。采用一片PSoC配合少量外部元器件,可以實現(xiàn)超聲電機疲勞壽命測控系統(tǒng)設計,大大簡化了電路,提高了電路的可靠性和穩(wěn)定性,并可實現(xiàn)與外部通信。如需進行多臺電機的測試時采用一臺計算機就可以方便組建測試網(wǎng)絡,減少資源的占用。

2 集成測控系統(tǒng)設計

筆者采用的是可以實現(xiàn)模擬和數(shù)字混合編程的嵌入式微控制器 PSoC,其內部結構如圖 2所示。它是由基本的CPU內核和預設外圍部件組成,將多種數(shù)字和模擬器件、微處理器、處理器外圍單元和外圍接口電路集成到 PSoC上。在周圍集成的模擬和數(shù)字外圍器件陣列都是動態(tài)可配置,利用芯片內部的可編程互聯(lián)陣列,可以有效地配置芯片上的模擬和數(shù)字資源,達到可編程片上系統(tǒng)的目的。對于設計人員來說,只需按產(chǎn)品的功能來選擇相應的功能?？?從而構建自己的產(chǎn)品系統(tǒng)。因為 PSoC器件都是可動態(tài)重構的,從而能夠隨意創(chuàng)建新的系統(tǒng)功能。

圖2 PSoC的結構框圖

基于 PSoC的單芯片集成測控系統(tǒng)包含了超聲電機的驅動控制模塊、數(shù)控電流源加載模塊和信號整形模塊。其中:超聲電機的驅動模塊采用連個帶死區(qū)控制脈寬調制模塊來實現(xiàn),可完成調頻、調相等功能;數(shù)控電流源模塊用于控制磁粉制動器的電流,從而實現(xiàn)負載大小的控制;信號整形模塊來實現(xiàn)電機轉速的測量,并可轉換為標準的 T TL電平,以便于與外部控制接口。根據(jù)超聲電機的驅動和疲勞壽命測控系統(tǒng)要求,筆者提出如圖 3所示的單片集成測控系統(tǒng)方案。

圖3 單片集成測控系統(tǒng)框圖

2.1 數(shù)控電流源設計

數(shù)控電流源模塊用到了 PSoC內部的一個儀表放大器模塊(INSAM P)和一個9位電壓輸出數(shù)模轉換模塊(DAC9)。

2.1.1 INSAMP用戶模塊

INSAMP模塊提供了一種標準的2運算放大器形式的放大器電路拓撲結構,用戶可編程增益為 2至16。此放大器擁有高輸入阻抗、良好的共模信號抑制能力和較寬的帶寬。INSAM P用戶模塊的原理如圖4所示。由圖 4可知,INSAMP用戶模塊的 2運算放大器拓撲結構映射到一對模擬連續(xù)時間 PSoC模塊上,此用戶模塊能夠將外部施加的差分信號轉換成單端信號,并以選定的內部模擬地為基準電壓。模塊的輸入連接到輸入多路復用器上。增益、輸出基準電壓和模擬輸出總線連接均由用戶在設備編輯器內設置。儀表放大器的增益可通過 2個模擬模塊中每一個模塊之內的電阻陣列上的可編程抽頭的設置值來決定。

圖4 儀表放大器簡化示意圖

反相輸入與輸出之間存在如下函數(shù)關系

正向輸出與輸入和反相輸出之間的關系如下

這樣,INSAMP用戶模塊的傳遞函數(shù)如下

2.1.2 DAC9用戶模塊

DAC9用戶模塊能夠將數(shù)字編碼轉換成輸出電壓,它能夠在高達每秒125k采樣率的更新速率下將數(shù)字編碼轉換成輸出電壓。應用程序接口支持偏移二進制碼、2的補碼以及寄存器映像(符號加絕對值)數(shù)據(jù)格式,以提供最大的靈活性。為了最大程度地減少轉換誤差,還采用了偏移補償方法。DAC9的原理如圖 5所示。

圖5 DAC9的原理示意圖

DAC9用戶模塊還能將數(shù)字編碼轉換成模擬輸出電壓。數(shù)據(jù)編碼以2的補碼格式數(shù)字來表示,范圍為-255～+255。另一種方式是輸入編碼可以采用偏移二進制格式表示,其數(shù)字范圍為 0～ 510。

DAC9用戶模塊可映射到任意兩個模擬模塊上。從內部來看,模塊工作時的基礎是符號加絕對值格式。由5個最高有效絕對值位來設置C3的數(shù)值,如圖5所示的二進制加權電容陣列;2個最低有效絕對值位用于設置C1的數(shù)值。C3采用的數(shù)值從零至 31個單位,C1采用從以單位電容值為單位的集合{0,4,8,12,16,20,24,28}中選出的數(shù)字?？梢杂葾Sign位進行反相設置的參考電壓,在每個階段進行比例確定時,分別采用絕對值電容C1和C3,與反饋電容C2和C5的比率來設置,每個電容的標稱電容值均為32個單位。 LSB級的輸出由聯(lián)合電容C4與反饋電容C5的比率進行進一步的比例確定。

由硬件在每個更新周期內提供偏移補償。由O1和O2控制的開關在O1期間運算放大器配置成一個單位增益的跟隨器。在這種配置中,偏移電壓施加在加法結點,同時對 ACap,BCap和 FCapt進行充電。如果在O2期間重新配置,電路將會對這些電容上偏移充電進行翻轉,從而有效地消除了偏移電壓。

結合圖 5所示的設定比例后的參考電壓,輸出電壓如下

當全局參數(shù) RefMux通過設備編輯器被配置成(2BandGap)± BandGapj時 ,AGND為 2.6 V,參考電壓為 1.3 V。對應輸出為

2.1.3 數(shù)控電流源原理

在本設計中,采用 INSAM P模塊和 DAC9模塊,外圍配置 1個 MOSFET管、1個電容和3個電阻組成一個可控電流源,該部分電路原理如圖 6所示。其中可控電流源的大小由 DAC9產(chǎn)生并輸出到PSoC的 P05引腳,然后通過 PSoC特有的內部總線互聯(lián)技術連接到INSAMP模塊的設定端,電阻R2上的反饋電流通過一個由電阻R3和電容C1低通濾波后輸入到 PSoC的 P02引腳,產(chǎn)生的比較值通過PSoC的 P03引腳輸出。

圖6 數(shù)控電流源原理圖

2.2 信號調理模塊

在測量電機轉數(shù)電路中采用光電開關,它輸出的一系列高電平脈沖信號不符合并行通信所要求的標準 T TL電平規(guī)范,必須經(jīng)過檢測信號放大電路。將檢測到的信號放大、整型,使之符合標準 T TL電平規(guī)格,才能輸入到計算機。檢測信號整形電路的核心采用 PSoC內部可編程閾值比較器(CM PPRG)[6],它能將輸入的一系列高電平脈沖放大并轉化為可與并口通信的標準數(shù)字信號。

2.2.1 CMPPRG模塊

CMPPRG用戶模塊具有將選定的輸入與可編程的參考閾值進行比較的功能,它在輸入和參考電壓連接方面具有相當好的靈活性,該比較器的速度可以通過調節(jié) PSoC模塊內的放大器的功率等級來進行編程設置。 CM PPRG模塊原理如圖 7所示。

圖7 CM PPRG原理圖

比較器由一個內部補償電容禁用的連續(xù)時間運算放大器構成。正輸入連接到輸入多路復用器上,負輸入連接至Vdd與所選定的參考值 Low Limit之間的電阻分壓器的抽頭上。

比較器的閾值數(shù)值由式(5)決定

其中:VT為門限電壓;Vlow為下限電壓;Vref為參考電壓。

2.2.2 系統(tǒng)結構

信號整形部分原理如圖8所示。在進行壽命試驗過程中需要檢測電機的運轉周數(shù),運轉周數(shù)檢測電路由一個光電開關和一個帶縫隙的遮光板組成。遮光板是一個在半徑方向上開了一條窄縫的不透光圓盤,固連于電機轉軸上。電機每轉一轉,發(fā)光二極管會在窄縫通過的瞬時選通光敏三極管,使電路輸出一高電平脈沖信號,將電機的轉數(shù)轉化為高電平脈沖信號輸出。高電平脈沖的數(shù)目即是電機的轉數(shù),高電平脈沖之間的時間間隔即是電機運行一周的時間。光柵信號由 PSoC的 P01引腳進入,經(jīng)過CM PPRG模塊后通過內部的比較總線到達 DigBuf模塊,然后經(jīng)由該模塊從 PSoC的 P16輸出。

圖8 整形模塊原理圖

3 測試系統(tǒng)實驗

根據(jù)上述原理最后完成的超聲電機疲勞壽命單芯片集成驅動測控系統(tǒng)硬件與原系統(tǒng)實物對比照片如圖 9(a)所示,包含制動器和電機的單片集成測控系統(tǒng)整體照片如圖 9(b)所示。

由圖 9可見,基于單芯片的集成測控方案使得電路板的尺寸較小,外圍器件也較少,大大增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,簡化了系統(tǒng)的連接。如需要進行多臺超聲電機的疲勞壽命測試時,只需要一臺計算機,在不修改硬件的前提下,只修改軟件就可組成測控網(wǎng)絡。

為驗證系統(tǒng)功能,在實際磁粉制動器上進行了實驗,實驗結果如圖10所示。該制動器工作電流為0～ 0.4 A,可產(chǎn)生 0～ 1 N? m的扭矩。 超聲電機疲勞壽命測試過程中要求一段時間無載,一段時間半載,一段時間全載,在實驗中由程序控制間隔時間為1s,經(jīng)過標定以后得到的實驗結果如圖10(a)所示。

圖9 集成測控系統(tǒng)照片

圖10 實驗結果

其中:上半部分曲線為 MOSFET管的柵極驅動電壓;下半部分曲線為 1Ω采樣電阻上的電壓,該電壓的大小反映了制動器工作電流的大小?？梢?通過改變DAC9的設定值可以改變負載電流的大小。信號整形部分整形前、后的信號如圖 10(b)所示,其中下半部分曲線是光柵信號輸入,上半部分曲線是經(jīng)過PSoC內部比較器后的輸出。光柵輸入信號上升時間比較長,不是標準的 TT L電平,不能滿足PC機并行口的數(shù)字信號接口要求,經(jīng)過 PSoC內部比較器以后信號滿足要求。從實驗結果可見,所設計的基于單芯片的疲勞壽命測控系統(tǒng)可以滿足系統(tǒng)的測控要求。

4 結束語

現(xiàn)有的超聲電機疲勞壽命測控系統(tǒng)由多塊驅動控制電路板組成,系統(tǒng)連線比較復雜,容易出故障。筆者根據(jù)系統(tǒng)要求采用一片 PSoC設計了集成電機驅動、數(shù)控電流和信號整形功能的單芯片解決方案。利用 PSoC特有的內部總線互聯(lián)技術使得整個系統(tǒng)簡潔明了,只需在外圍配備基本的元器件就能實現(xiàn)超聲電機疲勞壽命測控的要求。相比原先的設計,采用筆者提出的設計方案設計的電路板尺寸大大減小,系統(tǒng)可靠性增加。通過實際磁粉制動器實驗驗證了所設計系統(tǒng)的功能,取得了比較好的效果。

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