文献翻译-基于单片机的数字控制超声波电机驱动系统

基于单片机的数字控制超声波电机驱动系统 摘要：在最近几年 ,将压电陶瓷超声波电机应用在驱动伺服驱动器的速度和位置上取得了重要突破。这些电机具有良好的特点和优势，可以应用在比较特殊的领域。超声波电机与电磁电机相比有着不同的工作原理及不同的驱动和控制系统。在这项研究中，微控制器的数字控制驱动系统提出了一个可行的超声波电机应用方案。其驱动系统包括电源电路，接口电路和微控制器的电子零件。电源电路采用半桥式串联谐振逆变电路用以提供高频率两相电压。接口电路包括栅极驱动器，方向控制器，光耦电路和过滤电路。而微控制器编程，用 于产生其所需的数字信号从而全面的控制电机相关的参考速度，微控制器产生控制信号产生适当的驱动频率。因此，实际的电机转速与参考速度相比比较精确。速度反馈取自于光学编码器和传输特性得到的控制器的数字信号的速度和位置。对驱动系统进行了测试实验。结果表明基于微控制器的驱动系统可以成功的应用于压电瓷超声波电机。 关键词：超声波电机， 控制器，速度控制器，逆变器。 1 简介 新开发的压电驱动超声波电机（ 有着许多重要的物理特性和优秀的作业表现，如高扭矩低转速；高扭矩与较小的体积比；快速，准确的速度 /位置反应 ;良好的开始 /停止动态按钮，简单机械， 设计，体积小，无电磁噪声。 在最近几年， 接驱动式伺服驱动器可以应用在工业，医疗，机器人，航天和汽车等领域。其优秀的性能，控制技术和工作原理基本上不同于常用的常规电磁马达。 超声波电机的工作原理，压电超声波电机是基于两个阶段的机电能量转换。首先电能转化为机械能。这是通过压电激发高频率的机械振荡振动来完成的。第二个步骤，振荡转换为连续线性或旋转运动下产生的摩擦力的接触界面的振动和第二次转换机构，按下振荡器。通常的振动部分是定子和转子。 现在，已经提 出，以推动和速度 /位置控制的 而数字信号处理器，计算机和微型计算机或特殊 电等效电路的超声波电机已被用于设计驱动电路实验动态模型驱动系统的建立。基于 驱动电路和控制系统比例积分微分电路和滑模控制已经开发应用于超声波电机。这是一种新颖的方法，超声波电机驱动用压电陶瓷变压器，而不是用直流 /交流变换器型驱动器。模拟电子阶段已经制定了超声波电机。开环，闭环和伺服控制的试验，用微控制器进行 测量和调整。 在已经提议的研究报告中，应用于超声波电机（ 的低成本 8 位 研究的目的是获得简单，可靠，具有低成本效益端数字控制，用户界面友好，结构紧凑，适应能力强及准确的新型控制系统的用于这一目标的一个动力驱动系统的超声波电机的设计及用户界面的电子电路控制的功率驱动器设计。为了实现速度控制的微控制器 规划并纳入超声波电机驱动系统。实验测试安装并已经建造。提议的速度控制方案已经经过用于测试的各种实验的测试。所得结果表明其实具有良好的有效 性和可靠性的超声波电机驱动系统。 2 超声波电机 超声波电机是一种特殊类型的电机驱动的机械振动的压电陶瓷的定子。总共有几种类型超声波电机的设计，而旋转式 最常用的超声波电机类型。用于产生行波的定子，必须有两个控制机械的正交模式。电极模式 A 提供了 用这两种方式，可以产生行波。每个模式分别提供来驻波，叠加这些驻波产生的行波用于 许多研究中利用这些控制方法的文献已经出现。在这项研究中，驱动频率控制方法已被用来控制超声波电机。对于实现这一目标的 号已经出 现了 后应用于电子接口电路的详细信息，微控制器部分系统和驱动器和控制系统的超声波电机。 3 微控制器 控制器是嵌入式数字控制装置，有一个中央处理单元，中断装置，计数器，定时器， I / O 端口，内存，光盘 /可擦写可编程只读存储器可用于系统的控制。在通用系统（外设接口控制器）是集成电路 术的基础上，控制器的主要组成部分要求有内存，存储器，光电可擦除只读存储器和外设接口适配器。在这些组件中插入相同的积体电路，以减少规模，成本的系 统，使系统设计更加容易。 控制器的地址总线，数据总线和控制总线连接组件由事先知情的电路制造商制造。由于这些优势，首选设备已在实际控制中应用筹措。在使用这方面， 控制器的工作运行情况为： 20 时钟频率和每个指令运行速度 200 纳 /秒。闪存程序存储器可用 8K 型 14。数据存储器是包含通用寄存器和特殊功能寄存器。它载有 1 K 的 为程序存储器， 15 个特殊的硬件寄存器， 36 个通用寄存器和 64 字节的 为数据存储器。由于其具体有 成本低，减少能源消耗和体积小的特点，已大多倾向于将其用于控制设备。 在这项研究中， 微控制器已用于速度控制的应用超声波电机。开发系统的框图如图 1 示。控制系统的超声波电机主要包括键盘， 制器，驱动系统，超声波电机和液晶显示屏几个部分。工作命令从键盘输入。实际的速度和方向运动的监控是数字编码器和微控制器功能。将微控制器程序测到的速度值，与其参考速度进行比较。根据这种比较判断速度误差的产生。比例控制算法已用于和编程到微控制器，用以实现控制。该软件开发的微控制器的计算比例增益为 P 号。所产生的 号，然后用于驱动系统。驱动系统产生所需的两相电压驱动频率根据参考命令进行输入。超声波电机的旋转速度和实际速度的监测可以用液晶显示器显示出来，从而对其可靠性和准确性进行判断。 4 超声波电机的驱动和控制系统 在本研究中新生的型超声波电机使用了 波。为了推动这项运动，分两个阶段对高频逆变器进行了设计。每个阶段电压电机提供两个电源开关。电源开关设计为半桥获得两相电压的定义相角。图 2 显示了主电路的两相半桥逆变用于超声波电机。包括逆变器的有效职能的脉宽调制（ 及脉冲频率调制（ 控制技术。机械振动系统的超声波电机的代表作为一个容性负载，压电陶瓷用于定子。这中变频器产生的两相高频率电压。振幅，频率和相位之间的区别在于两相电压可以改变控制。 控制输入的驱动系统的开关频率，使用这种控制的投入获得的信息反馈比较电极电压（对）和参考电压。根据要求的速度，对其控制的开关频率进行调整。这是实现转变的参考直流电压。要更改直流电压及占空比的 号的变化，可以根据占空比的 号，直流输出的滤波器的控制。从数字可以看出，输入的过滤器可控制 号。根据该占空 比这一信号，过滤产生的电压。当占空比的号增加，直流滤波器数值增加。 在近几年，关于速度和位置的控制技术已经成功研制。一般的计算机，数字信号处理器或先进单片机 /微处理器的设备已被用来实现这一控制。在本研究中超声波电机驱动系统由 控制器控制。比较简单和可靠的 于 片机的超声波电机控制方案是非常简单的，具有成本低，重量轻量，可靠性高等特点。综上所述， 控制器控制系统可以驱动和控制超声波电机是非常简单的控制技术。 号，是 口的 控制器所产生的信号的。数字输入引脚的微控制器已用于编码器信号。其有两个正交编码信号和一个索引信号。实际和参考速度会显示在液晶显示屏。对整体电源的驱动和控制系统提供了一个单一的直流电源。 5 实验结果 在这一节中，实验结果已经在微控制器的数字控制超声波电机驱动系统中做了介绍。两相输出电压和高速图形处理，给出了两种不同占空比的 号显示关系占空比和电机转速。 图 5 给出 号和电机转速。以这种方式提到速度是 42 转。实际速度显示在液晶屏幕上。超声波电机转速旋转 42 作为参考速度。 图 6 显示输出两相电压这个速度。正如所看到的数字。 该参考数值是多种多样的，以 90 转证明了系统的可靠性。图 7 显示的事 8 显示输出两相电压。输出电压的逆变器是 115 伏和 109伏。这一时期的相电压为 24 微秒产生 驱动频率。很明显看到的结果，频率降低，增加电机转速。 图 9 显示的是实际速度和测量 42 转和 90 转的参考速度。从这个数字看出，实际的测量速度等于参考速度。驱动系统已通过测试不同的速度值，具有良好的性能。图 10 显示兼容之间的范围和速度的不同实际测量值。从这一数字看出，实际 速度和参考速度，特别是在控制领域的超声波电机，可以被描述为 30 至每分钟转速 130 转的速度和范围。 6 结论 本文提出了一种基于 声波电机的速度及控制的驱动频率。驱动频率控制的 出的微控制器。通过改变占空比的 号，驱动频率改变。所以超声电机的速度已被控制。 提议的驱动和控制系统已被证明与实验。对两相电压， 空比的比例和电机转速进行了测量。两个测量样品的结果得到了相关的讨论。参考和实际速度会显示在 液晶显示器上，显示速度和实际速度是相等的。根据国家的管制计划已进行了在不同条件下的操作，均显示可以实行。实验结果表明，提议的驱动和控制系统，能够提供准确，快速的超声波电机速度的特性。基于 制器的数字控制的超声波电机控制方案简单，成本低，效益高，可以可靠和方便使用与实际。 as in to be in a is to is to of to is to as he of be to as at or no as in in of 13. is on a is is by of a a to or by in of a is is is 4. to 57, 810 to SM of SM to An of is 11. PC to 12. A by a of C/AC 13. is by 14. In of a by a IC of is to a SM To SM an of IC SM 2 is a of by of in SM a it is to By 0 of a is a 4, 15. of on of a is by of a is by in of is to of is & of of in 1620. In to of a IC to of of SM in 3 a I/O to of a in to of of IC by of in 0 as 00 is up K 14 is P1 P0 7 (128 K as a 15 36 4 as a of in 21, 22. In of is 1. CD of by it to is to in as a to WM WM is to to is at is on CD to of is to is to as a to SM to 4 n s SM To of as to of SM is as a to of in A B SM in to B of s is be CW by A B To 1 is 3, 2 is 4. in a 1 3. 1 is OT to 3. by to in 0 to of is of C to of is is by of C To of C WM is to WM C of is is 3. As of is WM of C WM C of 16. in or to In SM is to IC SM is By