基于DSP的超聲波電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計

裴高科，高軍禮，陶地狀，劉海杰，馬錦堅

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州 510006)

基于DSP的超聲波電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計

裴高科，高軍禮，陶地狀，劉海杰，馬錦堅

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州 510006)

在深入分析超聲波電機(jī)(USM)驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于TMS320F28027 DSP的增強(qiáng)性脈寬調(diào)制器模塊(EPWM)，采用推挽式驅(qū)動放大和并聯(lián)匹配電感電路，設(shè)計USM驅(qū)動器，并通過Multisim軟件平臺進(jìn)行計算機(jī)仿真.針對USM的啟動特點，設(shè)計一種變頻啟動方式，實現(xiàn)USM驅(qū)動器的軟硬件聯(lián)合調(diào)試.實際應(yīng)用效果良好.

超聲波電機(jī); 并聯(lián)諧振; 數(shù)字信號處理器

超聲波電機(jī)是近年來發(fā)展起來的一種新型微電機(jī).傳統(tǒng)的電機(jī)是基于電磁感應(yīng)原理通過磁路之間的耦合，由磁場的變化產(chǎn)生磁力帶動轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn).與傳統(tǒng)的電機(jī)不同，超聲波電機(jī)沒有繞組和磁極，它是在定子上加特定的高壓高頻電源，利用壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)所激發(fā)的微振動作為驅(qū)動力與轉(zhuǎn)子之間的靜摩擦力的耦合轉(zhuǎn)換成移動體的旋轉(zhuǎn)運動或直線運動[1-4].超聲波電機(jī)具有響應(yīng)速度快、重量輕、無電磁干擾、低噪音等優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用在家庭辦公、醫(yī)療、智能機(jī)器人等領(lǐng)域[1-6].

超聲波電機(jī)的電壓驅(qū)動范圍一般為150～1 000 V(峰峰值).電機(jī)驅(qū)動頻率在20～100 kHz之間可調(diào)，且工作頻率應(yīng)選在定子的諧振頻率附近.當(dāng)電機(jī)工作在諧振頻率附近時可以近似地認(rèn)為是容性負(fù)載，與外加匹配電感構(gòu)成LC諧振電路一起進(jìn)行濾波，從而可以得到適合于電機(jī)驅(qū)動的正弦波形.兩相驅(qū)動信號的相位差一般在90°左右，利用相位差的正負(fù)變化調(diào)節(jié)電機(jī)的運動方向，從而實現(xiàn)USM的正/反轉(zhuǎn)調(diào)速[1-6].

綜上所述，USM驅(qū)動器應(yīng)具備如下功能：(1) 輸出準(zhǔn)正弦波形；(2) 頻率可調(diào)；(3) 幅值可調(diào)，能通過調(diào)節(jié)PWM控制信號的占空比來改變交流電壓的幅值[4]，以適合不同類型的超聲波電機(jī)；(4) 相位可調(diào).

1 USM驅(qū)動器硬件設(shè)計

本文所設(shè)計的USM驅(qū)動器的體系架構(gòu)如圖1所示.

圖1 USM驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)框圖

1.1 PWM單元

TMS320F28027是美國德州儀器公司推出的32位定點數(shù)字信號處理器(DSP)，最高時鐘頻率達(dá)60 MHz.其增強(qiáng)性脈寬調(diào)制器模塊(EPWM)尤其適合于電機(jī)的高性能控制.利用該模塊所產(chǎn)生的兩相頻率和占空比均可調(diào)的PWM波形時序圖如圖2所示.當(dāng)計數(shù)器計數(shù)值TBCTR等于TBPRD寄存器的值時，計數(shù)器重新計數(shù)，則

PWMcycle=2×TBPRD×TBCLK.

(1)

當(dāng)計數(shù)器計數(shù)值等于0時，設(shè)定PWM輸出引腳極性為高；當(dāng)計數(shù)器向上計數(shù)并等于CMPA時，設(shè)置PWM輸出引腳極性為低；則PWM波在計數(shù)值0-CMPA期間引腳電平為高，其余時間為低，即

(2)

圖2 頻率和占空比可調(diào)的PWM波

由EPWM模塊所生成的兩相相位可調(diào)的PWM波形的時序圖，如圖3所示.

圖3 相位差可調(diào)的PWM波

由圖3可知，當(dāng)有EPWMxSYNCI信號時，計數(shù)器TBCTR的計數(shù)值立即從當(dāng)前值變成TBPHS寄存器的值，通過預(yù)設(shè)TBPHS寄存器的值即可改變兩相相位差，即

(3)

例如產(chǎn)生波形頻率為41 kHz，占空比為24%，相位差為90°的方波，通過式(1)～(3)得，所需各個寄存器的值為

CMPA=TBPRD×24%×2=350,

CMPB=TBPRD-CMPA=380.

由于通過以上設(shè)置后相位差為90°，故可以不用預(yù)設(shè)TBPHS的值.如需改變相位差，只需實時動態(tài)更改TBPHS的值即可.基于下列DSP程序所產(chǎn)生的PWM波，如圖4所示.

圖4 TMS320F28027 EPWM輸出波形

1.2 驅(qū)動放大電路設(shè)計

本文所設(shè)計的USM推挽式驅(qū)動電路，如圖5所示[3,7-8].電源電壓VCC為12V，IRS2101S為推挽式MOS管H橋?qū)Ｓ抿?qū)動芯片，變壓器磁芯為EE型，變比為1∶24.

圖5 USM推挽式驅(qū)動放大電路

1.3 匹配電路設(shè)計

超聲波電機(jī)的等效電路，如圖6所示，其中Cd是壓電陶瓷的夾持電容，Lm是定子的等效電感，Cm是定子彈性等效動態(tài)電容，Rm是定子內(nèi)機(jī)械損耗的等效電阻[9-10].

圖6 USM等效電路

用Y表示電路的導(dǎo)納，則

Y=

(4)

借助于精密阻抗分析儀，通過實驗可以測試出在不同頻率下的導(dǎo)納值.通過式(4)計算出各個具體參數(shù)的值，從而可以得到最大導(dǎo)納和最小導(dǎo)納所對應(yīng)的頻率值，由此確定超聲波電機(jī)的正常工作頻率.從式(4)可以得出，當(dāng)USM工作在諧振頻率時，壓電振子振動幅度最大，對應(yīng)于等效電路中等效電容也較大，系統(tǒng)總體呈容性[4,11]，所以必須采用電感進(jìn)行功率匹配.電感匹配不僅可以減少無功損耗，提高系統(tǒng)的輸出功率，同時匹配電路還可以濾掉開關(guān)電路方波中的諧波，得到信號的基波[6,12]，從而改善輸出電壓波形.

理想變壓器副邊線圈輸出的對稱PWM波形，如圖7所示.

圖7 變壓器副邊線圈輸出波形

將圖7中所示的對稱波形進(jìn)行傅里葉級數(shù)展開：

(5)

其中,A為振幅,T為周期,ω為基波角頻率.

式(5)表明，方波中含有奇數(shù)次的高頻諧波，主要是三次諧波.匹配電路的目的就是為了濾掉方波中的三次諧波，得到正弦的基波.本文所設(shè)計的超聲波電機(jī)并聯(lián)匹配電路如圖8所示.

圖8 超聲波電機(jī)并聯(lián)匹配電路

基于Multisim仿真平臺，對該電路進(jìn)行計算機(jī)仿真.等效電路的諧振頻率為41 kHz，匹配電感為4.7mH.仿真結(jié)果如圖9所示，以方波作為驅(qū)動信號，經(jīng)過匹配電路以后輸出電壓波形為正弦波，可以滿足超聲波電機(jī)以正弦波作為驅(qū)動信號的要求[13-16].

圖9 方波驅(qū)動和匹配電感后波形

2 USM驅(qū)動器軟件設(shè)計

超聲波電機(jī)內(nèi)部壓電陶瓷材料的非線性以及電機(jī)慣性[4-5,17]，使得超聲波電機(jī)難以高轉(zhuǎn)速直接啟動，為此專門設(shè)計了一種變頻啟動方式.在啟動階段，采用高頻低速啟動，等待電機(jī)運行穩(wěn)定以后，再切換至正常的運行頻率.系統(tǒng)主函數(shù)和中斷函數(shù)的執(zhí)行流程分別如圖10和圖11所示.

圖10 主函數(shù)程序流程圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用

以60 mm的環(huán)形行波型超聲波電機(jī)為測試對象，系統(tǒng)應(yīng)用平臺如圖12所示.

在空載情況下，驅(qū)動器施加到USM上的驅(qū)動波形如圖13所示.在圖13中，兩相驅(qū)動波形頻率為41kHz，兩相相位相差約為93.7°，電機(jī)驅(qū)動端的峰峰值為466V.在本文所設(shè)計的USM驅(qū)動器的驅(qū)動之下，USM的啟動性能良好，響應(yīng)速度快，運行穩(wěn)定.其中，匹配電感Lp=4.7mH.

圖11 中斷函數(shù)程序流程圖

圖12 系統(tǒng)應(yīng)用平臺

CH1:Vpp:466V Freq: 41.16kHz Duty Cyc: 50.7

4 結(jié)束語

基于TMS320F28027 DSP、推挽式驅(qū)動放大和并聯(lián)匹配電感電路，設(shè)計了一款USM驅(qū)動器，并通過Multisim平臺進(jìn)行了計算機(jī)仿真與驗證.對頻率、占空比和相位可調(diào)的PWM信號產(chǎn)生單元進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析與工程實現(xiàn).本文所設(shè)計的USM驅(qū)動器內(nèi)嵌軟件變頻啟動方式，具有啟動性能良好、響應(yīng)速度快、運行穩(wěn)定的特點.

[1] 金龍,褚國偉,王心堅,等. 基于DSP的超聲波電機(jī)控制系統(tǒng)[J]．電工技術(shù)學(xué)報, 2004,19(8)：93-98.

Jin L, Chu G W ,Wang X J,et al. A DSP-based control system for ultrasonic motors[J]. Transactons of China Electrotechnical Society, 2004,19(8)：93-98.

[2] 陳維山,方艷,謝濤. 基于DSP的行波型超聲波電機(jī)的驅(qū)動與控制[J]. 研究探討, 2005, (8):40-42.

Chen W S, Fang Y, Xie T. DSP-based drive and control system for traveling-vave ultrasonic motors[J]. Research & Discussion, 2005, (8):40-42.

[3] 史敬灼,候義銘. 超聲波電機(jī)低成本驅(qū)動電路[J].電氣傳動，2007,37(1):62-64.

Shi J Z, Hou Y M. Low-cost driving circuit for ultrasonic motor[J].Electric Drive, 2007,37(1):62-64.

[4] 史敬灼. 超聲波電機(jī)運動控制理論與技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2011.

[5] 俞浦,李華峰,黃衛(wèi)清．超聲電機(jī)LLCC 諧振電路研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2011,31(24):105-110.

Yu P, Li H F, Huang W Q. Study on driving circuit of ultrasonic motor with LLCC resonant technique[J]. Proceedings of the CSEE, 2011,31(24):105-110.

[6] 趙淳生. 超聲電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2007.

[7] 唐雄民,李思琪,孟志強(qiáng).并聯(lián)負(fù)載諧振式DBD型臭氧發(fā)生器供電電源的研究[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,30(1):81-86.

Tang X M, Li S Q, Meng Z Q. Research on parallel load resonant inverters for dielectric barrier discharge ozone generators[J]. Journal of Guangdong University of Technology,2013,30(1):81-86.

[8] 左暢. 基于TMS320F2808的全橋三電平LLC諧振變換器的研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,2013.

[9] 俞浦,李杰,周琳琦,等. 超聲電機(jī)推挽式驅(qū)動電路研究[J].微電機(jī)，2011,44(6):40-43.

Yu P，Li J，Zhou L Q，et al. Study on the push-pull driving circuit of ultrasonic motor[J]. Micromotors, 2011,44(6):40-43.

[10] 顧菊平,胡敏強(qiáng),石 斌,等. 超聲波電機(jī)諧振升壓式驅(qū)動技術(shù)研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報,2002,22(8):50-52.

Gu J P, Hu M Q, Shi B, et al. Research on the resonant booster of ultrasonic motor driving[J]. Proceedings of the CSEE, 2002,22(8):50-52.

[11] 龍濤元,宋國翠,楊立宏. 高效超聲電機(jī)驅(qū)動電源研究[J]. 電工電氣,2010(12):21-24.

Long T Y, Song G C, Yang L H. Study on high-efficiency ultrasonic motor-driving power supply[J]. Jiangsu Electrical Apparatus, 2010(12):21-24.

[12] 陳樹琛,張淼,吳文康，等. 基于LCC多路LED均流驅(qū)動電路的研究[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,30(2):57-62.

Chen S C, Zhang M, Wu W K,et al. A current balancing method for multi-output LED drivers based on LCC resonant convertors[J].Journal of Guangdong University of Technology,2013,30(2):57-62.

[13] 田健仲,袁惠梅,張俊方,等. 并聯(lián)諧振電路Q值計算方法與仿真分析[J]. 實驗技術(shù)與管理,2010,27(9):36-38.

Tian J Z , Yuan H M, Zhang J F , et al. The calculation methods and the simulation analysis of Q quality in parallel-resonant circuit[J]. Experiment al Technology and Management, 2010,27(9):36-38.

[14] 汪小娜,單潮龍,王向軍,等. RL與C并聯(lián)諧振電路品質(zhì)因數(shù)精確值的計算[J].大學(xué)物理,2011,30(3):30-33.

Wang X N，Shan C L，Wang X J，et al. Calculation of quality factor of RL and C parallel resonance circuit[J]. College Physics,2011,30(3):30-33.

[15] 吳凌燕,郭維波,陳健濱. 基于Mulitisim的并聯(lián)諧振電路特性的研究[J]. 計量與測試技術(shù),2011,38(10):56-57.

Wu L Y, Guo W B, Chen J B. Research of antiresonance circuit based on mulitisim[J]. Metrology & Measurement Technique, 2011,38(10):56-57.

[16] 石嘉順. 基于Multisim環(huán)境下的電路設(shè)計與仿真[J].計算機(jī)仿真，2007,24(12):306-308.

Shi J S. Design&simulation of the circuit based on multisim[J]. Computer Simulation, 2007,24(12):306-308.

[17] 張炎,宋愛國,王心堅,等. 一種行波超聲波電機(jī)低速控制的方法[J]. 東南大學(xué)學(xué)報,2008,38(3):429-433

Zhang Y, Song A G, Wang X J, et al. Low speed control of traveling—wave ultrasonic motor[J]. Journal of Southeast University, 2008,38(3):429-433.

Design of Ultrasonic Motor Driver Based on DSP

Pei Gao-ke, Gao Jun-li, Tao Di-zhuang, Liu Hai-jie, Ma Jin-jian

(School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

After analyzing the key techniques on the ultrasonic motor (USM) driving, this paper designs USM driver by the push-pull amplifier and parallel matching inductance circuit based on the enhancement pulse width modulator module (EPWM) of TMS320F28027 DSP. And then this design is tested under the computer simulation on the Multisim software platform. According to the characteristics of USM start, a frequency conversion start mode is also configured. Then, the software and hardware joint debugging on the USM driver is implemented which proves effective and satisfactory.

ultrasonic motor; parallel resonant; digital signal processor

2014- 02- 28

國家級大學(xué)生創(chuàng)新實驗資助項目(201211845014);廣東省質(zhì)量工程資助項目(261541102)

裴高科(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向為運動控制技術(shù).

高軍禮(1973-),男,副教授,主要研究方向為電力電子及運動控制技術(shù).E-mail:jomnygao@163.com

10.3969/j.issn.1007- 7162.2015.03.018

TM359.9

A

1007-7162(2015)03- 0097- 05