（控制理论与控制工程专业论文）超声波电机自动测试系统的研究.pdf

堕塞型三盔堂堡主堂垡丝苎塑皇茎皇塑皇垫型堇墨堕塑堕窒一一 摘要 超声波电机作为一种新型电机，由于电机特性的不同，其测试技术不同于已发 展成熟的电磁电机的测试技术。因此，探索适合超声波电机的测试技术，构建一个 超声波电机的自动测试系统，以测试、研究和分析超声波电机的特性，对超声波电 机的原理及其控制器的研究有着重要意义。 本文对超声波电机测试技术及其实现方法进行了探索与研究，基于实验室现有 设备构建了超声波电机的自动测试系统，对系统上下位机的软件进行了设计与开 发，针对系统中信号发生源波形切换速度慢，控制精度不够等问题，对自动测试系 统进行了改进，即设计了一个高精度的信号发生源，并分析了超声波电机的特性。 本文构建的超声波电机自动测试系统运行效果良好，适用于任意类型的超声波 电机。 关键词：超声波电机，新型电机，自动测试系统，信号发生源 塑蔓 婴三! ；= 丝苎一一 a b s t r a c t t h eu l t r a s o n i cm o t o ri san e wt y p eo fm o t o r d u et oi t sd i s t i n c tc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e t e s ta p p r o a c ho ft h eu l t r a s o n i cm o t o ri sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h ee l e c t r o m a g n e t i cm o t o r a sar e s u l t ，d e v e l o p i n gan e wt e s tt e c h n i q u ef o rt h eu l t r a s o n i cm o t o ra n dc o n s t r u c t i n ga l l a u t o m a t i ct e s ts y s t e mu s e dt os t u d ya n da n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo ft h eu l t r a s o n i cm o t o r i sv e r yi m p o r t a n tf o rt h es t u d yo f t h et h e o r ya n dc o n t r o l l e ro f u l t r a s o n i cm o t o r t h et e s tt e c h n i q u eo ft h eu l t r a s o n i cm o t o ri ss t u d i e di nt h i sp a p e rw h i c hi n c l u d e s c o n s t r u c t i n ga l la u t o m a t i ct e s ts y s t e mf o ri tb a s e do ne x i s t i n ge q u i p m e n ti nt h el a ba n d d e s i g n i n gs o f t w a r e f o rt h eh a r d w a r ea n dt h ec o m p u t e ro ft h es y s t e mr e s p e c t i v e l y a d d i t i o n a l l y , t h et e s ts y s t e mi si m p r o v e db yd e s i g n i n gas i g n a lg e n e r a t o rw i t hh i g h p r e c i s i o nf o rt h eu l t r a s o n i cm o t o r t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eu l t r a s o n i cm o t o ra r ea l s o a n a l y z e d t h ea u t o m a t i ct e s ts y s t e md e s i g n e df o rt h eu l t r a s o n i cm o t o ri nt h i sp a p e rr u n sw e l l ， a n di ti ss u i t a b l ef o ra n yk i n do f t h eu l t r a s o n i cm o t o r k e y w o r d s ：t h eu l t r a s o n i cm o t o r , n e wt y p em o t o lt h ea u t o m a t i ct e s ts y s t e m ，s i g n a l g e n e r a t o r l l 声明 本学位论文足我存导师的指导r 取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，坷i 包含其他人i l 经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任伺教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：壅垂 加，年月毋口 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位沦文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：互塞 力。f 年i 月盔曰 妻室塑三盔兰堡：! 堂垡至苎 塑妻垫皇墨i 塑型望墨堕塑型塞 一一 1 绪论 1 1 超声波电机的发展历史“”“”1 自1 8 7 9 年在柏林万国博览会上展出首台实用的电机以后，几乎所有的电机都 是根据电磁相互作用的原理设计的。随着现代科学技术的飞速发展，各种电子设备、 精密仪器、光学系统以及工厂自动化( f a ) 和办公自动化( o a ) 设备日益趋向小型 化、精密化、静音化。作为这些设备中动作执行部件的电机，必然应该在提高性能 或保持性能不变的前提下，向体积小、精度高、嗓音低等方面发展。 在这样的发展背景下，电机的发展表现出了两种趋势： 一种趋势是微特电机蓬勃兴起。由于高永磁材料的出现和无刷化技术的应用， 目前小型永磁步进电机的性能已十分优越，应用也十分广泛。 另一种趋势是新型电机的出现。如片状电机、静电电机、超声波电机等。 1 9 7 3 年，美国i b m 公司的h v b a r t h 提出了超声波电机的工作原理，到1 9 8 1 年，日本新生工业公司的指田年生试制成功了世界上第一台超声波电机( u l t r a s o n i c m o t o r ，简称u s m ) 。自此超声波电机应运而生。 1 2 超声波电机原理1 1 帅小删 超声波电机的工作原理完全不同于传统的电磁电机。它将电致伸缩、超声振动、 波动原理这些似乎毫不相干的概念与电机联系在一起，创造出一种完全新型的电动 机。 超声波电机一般由振动体( 定子) 和移动体( 转子) 组成，在压电陶瓷振子( 振 动体的部分) 上加频率为几十千赫的交流电压，利用逆压电效应即电致伸缩效应 产生几千赫的超声波振动。然后，将这种振动通过振动体和移动体之间的摩擦力变 换成旋转或直线运动，或者直接用压电振子产生弯曲振动驱动移动体转动。 图1 1 行波型超声波电机的结构剖面图 图1 1 是行波型超声波电机的结构剖面图。它由定子、转子、轴和弹性加压环 构成。 定予所用的材料是黄铜片，上面刻有一圈梳妆槽，p z t 压电陶瓷粘在其反面。 l 绪论 硕士论文 梳妆槽的作用有两个：一个作用是放大p z t 压电陶瓷产生的振动；另一个作用是将 摩擦产生的粉末引入槽内，以保持接触面的清洁。转子是用铝合金制成，并附有一 层高分子材料，以增加摩擦力。定子和转子通过弹性加压环轴向地压在一起，以保 持定子和转子总是处于良好的接触状态，其压力的大小可以在安装时加以调节。 图1 2 是粘接在定子上的p z t 压电陶瓷构成的环形压电体的电极配置图。 弹世 幽1 2 电极的配置图 圆环的周长是行波波长的9 倍，压电体的表面电极被分成1 8 段共4 个部分。a 部分和b 部分各有8 片压电陶瓷，相邻压电陶瓷的极性相反，每片压电陶瓷的长度 为 2 ，c 部分和d 部分分别长3 4 2 和1 4 2 ，c 部分作为公共端接地，d 部分为 一1 4 丑波长孤立的压电片( + 号和一号分别代表压电陶瓷的极性方向) ，可以作为 监测超声波电机是否处于共振状态的一个传感器。为了在这样一个粘有压电陶瓷的 弹性体( 定子) 上产生行波，可在a 部分加上正弦波电压，在b 部分加上余弦波( 与 正弦波相位相差9 0 。) ，它们可以分别在弹性体上激起驻波。a 、b 两组电极在空间相 隔2 4 ，即空间相位差亦为9 0 。根据波动原理，两路幅值相等，频率相同，时间 和空间均相差9 0 。的两相驻波叠加后可以合成一个行波，为了更清楚地说明这一点， 可作分析如下，假设： 由正弦电压激发的驻波为：u ( x ，t ) = a 。s i n n x s i n ( c o f ) ( 1 1 ) 由余弦电压激发的驻波为：u ( x ，f ) = a 。c o s ，z x c o s ( c o f ) ( 1 2 ) 式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 中： u ，u ，弹性压电体表面粒子的纵向振动位移； 堕塞翌三查堂堡圭堂垒丝兰塑皇鎏皇垫! 垫垫塑墨堕塑! 塑一一 凡振幅； ”2 石 ； x 波的行进距离； f 时间； 2 万，厂为所激发的驻波的频率。 这两个驻波叠加后：u ( x ，r ) = u ，( x ，r ) + u 2 ( x ，f ) = as i n 眦s i n ( o a r ) + oc o s x 6 0 s ( 国t ) = a oc o s ( r x c o 0 ( 1 3 ) 恰好为一行波波动方程，由此证明了只要满足以下两个条件： 两相激励电压在时间上相差石2 相位， 两组电极在空间上相差 4 波长。 就可以在弹性体中产生一个行波。 下面，我们再来考察一下，弹性体表面某一个质点p 在行波驱动下的运动情况。 设弹性体的厚度为t ，当弹性体内激发起弯曲行波后，其表面粒子p 在垂直于弹 性体平面产生两个方向的位移，分别为y 和，可以证明 x = 一a o n t 2s i n ( 脚t 一，研) ( 1 4 ) 】，= t 2 + a nc o s ( n x 一甜f ) ( 1 ，5 ) 由式( 1 4 ) 和式( 1 _ 5 ) 可得： 盖2 ( t n a o 2 ) 2 + ( y t 2 ) 2 a 0 2 = 1 ( 1 ，6 ) 式( 1 6 ) 为一桶圆方程，说明弹性体上的任一点p ，在弯曲行波的作用下，是作 椭圆运动。该椭圆运动在z 方向上产生的分量，其方向与行波运动的方向相反。压 在弹性体( 定子) 上面的移动体( 转子) ，受到作椭圆运动的定子表面粒子的驱动， 就会如图1 3 所示，向与行波方向相反的方向转动。 1 动体m i ；o p 一 i ，纂妥南伫 ，册1 t 、t 一、= - 1 c 7 、 阿：弋 o j 州蚍 l ，t? 7 曲体穆动右向 破进于亍方向 图1 3 超声波电机的旋转原理示意图 在无相对滑动的状态下，转子旋转的速度矿可以根据式( 1 4 ) 导出 硕士论文 矿；婴：一n c o t a 。2 c o s ( o t n x ) ( 月= 2 z 2 ) ( 1 7 ) 在与弹性体的接触点，速度达到虽大，由式( 1 7 ) 可得最大速度。 = 一n c o t a o 2 = 一z c o a o t 旯 ( 1 8 ) 式( 1 8 ) 中的负号表示质点p 运动方向与行波运动的方向相反。 1 3 超声波电机性能特点“”“” 由于超声波电机独特的工作原理，因此它具有一般电磁电机所没有的一些性能 特点。超声波电机的主要优点有如下几个方面： 1 低速大转矩 在超声波电机中，超声振动的振幅一般不超过几个微米，振动速度( 角频率与位 移幅度的乘积) 只有几厘米每秒到几米每秒。无滑动时转子速度由振动的速度决定， 因此超声波电机的转速一般很低，为每分钟十几转到几百转。振动加速度为角频率 的平方与振动速度的乘积，可以很容易达到几千g ( g 为重力加速度) 。若定子和转 子之间的压力足够大，转矩就很大。例如，直径为6 0 r a m 的超声波电机的额定转矩 可达3 2 始- c m 。 2 体积小、重量轻 超声波电机不用线圈，也没有磁铁，结构相对简单，与普通电机相比，在输出转 矩相同的情况下，可以做的更小、更轻、更薄。 3 反应速度快，控制特性好 超声波电机靠摩擦力的驱动，移动体的重量较轻，惯性小，响应速度快，启动 和停止的时间为毫秒量级。速度调节，换向均很容易，可以实现高精度的速度控制 和位置控制。 4 微位移性 线性超声波电机的单位位移可以做到纳米量级。 5 无电磁感应影响 超声波电机没有磁极，因此不受电磁感应的影响，对外界也不产生磁干扰，特 别适宜于强磁场下的工作环境。在需要无磁干扰的工作环境中，采用超声波电机也 是非常适宜的。 6 停止时具有保持力矩 超声波电机的定子和转子总是保持紧密的接触，切断电源后，由于静摩擦力的 作用，不用刹车装置，仍有很大的保持力。 7 运行无噪声 超声波电机是由入耳听不到的超声振动驱动的，并且由于低速运转时能产生大 的转矩，因此无需齿轮减速机构，运行非常安静。 4 壹塞塑三奎兰堡主兰壁堡塞塑兰鎏皇垫垒垫! ! 蔓墨竺塑翌! 壅一 8 形式灵活，设计自由度大 超声波电机驱动力发生部的结构形式可根据需要灵活设计，自由度较大。比如 将超声波电机设计成中空结构、球形结构是完全可能的。 目前超声波电机还存在一些问题，主要有以下几点： 1 寿命短 超声波电机的寿命目前大约2 0 0 0 小时，与传统的电机相比，长时间工作的耐 久性还不尽人意。 2 热稳定性差 由于超声波电机转动是靠定子和转子之间的摩擦力来实现的，因此不可避免存 在摩擦发热和摩擦损耗。当温度上升后，超声波电机的转矩和转速均有所下降。 3 需要高频电源驱动 超声波电机工作时需要频率为几十千赫，电压几百伏，有一相位差( 一般为9 0 0 ) 的两路高频电源驱动，这给实际使用带来了不便。 4 价格高 目前超声波电机的价格仍然比较高，这对超声波电机的大量推广应用十分不 利。 5 存在振动的影响 超声波电机是由超声振动驱动的，因此，其振动对外部的其它机械会有一定的 影响。 1 4 超声波电机的发展现状叫m m 5 1 4 1 国外研究的现状 目前，超声波电机的研究和开发日本做的最好，从收集到的资料来看，目前超 声波电机的研究和开发主要集中在以下几个方面： 1 材料特性的研究和新材料的开发 材料是制约超声波电机发展的决定性因素，超声波电机性能的好坏，本质上取 决于材料性能的优劣。材料的性能和成分、工艺及使用时的条件如环境温度、电源 电压的高低都有关系，例如，压电陶瓷中的微裂缝会严重影响超声波电机的寿命， 过高的电源电压会使压电陶瓷击穿。日本通过在p z t 压电材料中掺入镧元素和镨元 素，得到电场强度和机械强度都提高了许多的p z t 压电陶瓷。超声波电机的转子和 定子之间的摩擦材料亦是决定超声波电机寿命的重要因素之一。 2 探索超声波电机的新结构和提高其性能 由于超声波电机是把压电陶瓷激发的往复机械运动通过机械变换转换成回转 运动或直线运动，压电陶瓷极化的多样性决定超声波电机的结构差异很大，性能的 s 硕士论文 差异也很悬殊。例如，以厚度方向极化的压电陶瓷对于不同机械变换可以构成楔型 超声波电机、环形行波式超声波电机、直线式超声波电机，应用扭振压电陶瓷可以 做成复合式超声波电机，利用径向极化的压电陶瓷也可以做成直线式或回转式超声 波电机。日本最新研制成功的球形超声波电机由四个定子和一个球形转子构成，可 以在两个自由度的方向旋转( 见图1 4 ) ，具有超声波电机的一切优点，这就大大扩 展超声波电机的应用范围。 定子4定予3 t j l z ! 角颍率 图1 4 、球形超声波电机结构示意图 3 超声波电机的驱动机理 超声波电视机理的探讨涉及到电子学、力学、压电学、摩擦学、材料学、机械 设计、精密加工等众多交叉学科的研究。尽管目前已有各种各样的超声波电机，但 有关超声波电机机理的探讨仍很困难，没有一种统一的理论能够解释超声波电机研 究中所遇到的所有现象。在理论上，超声波电机主要有两种研究方法，一种是借助 于计算杌进行数值计算，尽管利用数值计算的结果可以近似地说明一些现象，例如 超声波电机定子的谐振频率，但有关单电极驱动的现象却无法解释。另一种是等效 电路法，利用实验确定等效电路中的参数，可以解释超声波电机的输入输出特性。 通过实验的方法研究超声波电机也是一个重要的途径。 1 4 2 国内研究的现状 国内有关超声波电机的研究，总的来说和国外先进水平还有很大差距。受材料 和加工工艺的限制，国内超声波电机的结构形式不多，目前发表的论文主要集中于 超声波电机研制方面的问题，如驱动电路的设计、超声波电机定子谐振频率的- ；t j 算 及初步的机理探讨、超声波电机的试验研究等，而有关特性测试、应用开发、新型 结构、新材料等方面的研究还比较少。 1 5 超声波电机的发展前景“1 南京理工大学碗士学位论文 超声波电机自动测试系统衄研究 超声波电机的发展始终围绕实用化，但针对各种应用背景，发展趋势主要在 两个方向上：一是更加微型化。超声波电机的微型化有赖于微机械加工技术和工艺 的发展，因大幅度地减小尺寸有困难，也可采用微电子工艺加工，实现进一步微 型化；二是兼顾出力和尺寸的超声波电机，从目前美国的应用情况来看，直径为 1 4 姗的超声波电机是重点发展的方向，目前国内亦同样，无论是军用还是民 用都有迫切的需求。 超声波电机情况的研制表明超声波电机具有电磁型和静电型电机所不具有的 特点和优点，如出力大、结构简单可小型化、定位精度高和响应快等，发展潜力很 大。为进步推进超声波电机的发展，根据超声波电机的研究现状和发展趋势，目 前必须考虑两个问题：一是从众多的超声波电机中选择何种超声波电机进行研究即 研究定位问题，二是超声波电机产业化所需解决的关键( 瓶颈) 技术，主要涉及系 统模型、设计、基础技术和工程化。 在研究定位时，研究思路要宽泛，始终围绕实用化为原则，具体定位时可考 虑如下： 1 )既要选择目前产业化明确的超声波电机，又要选择科学意义大和应用前景 好的超声波电机。 2 )既要使超声波电机真径更小，又要研究直接驱动低速大力矩的超声波电机 ( 对于微系统没有减速机构更有意义) 。 3 ) 耍同时研究精密加工和微电子工艺加工的超声波电机。 4 ) 探讨新型的超声波电机的机理及其应用，特别是研制各种用途的超声波电 机，如非接触型高速超声波电机。 在关键技术上具体可分为： 1 1系统模型和设计。 应建立超声波电机的系统模型和基于模型的优化设计 方法，解决微摩擦问题。由于摩擦问题使得电机定转子力的传递模型复杂化，造成 超声波电机的输入输出关系建立困难，因此也难于对超声波电机的设计进行定量的 描述。另外，微摩擦损耗也是影响超声波电机输出力矩和电机转速的重要因素。 2 1基础技术。应研究有别于传统系统的设计、制造、测试和控制策略。尽管 超声波电机有微电子技术支撑，但它必须进行微机械所特有的三维加工，而且要求与 集成电路工艺兼容，这也是个没有解决好的问题。此外，传统的系统采用自下而上 的方法，而微系统是采用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在通 盘考虑的情况下几乎同时制造出来，零件和系统是紧密结合在一起的，这是一种自 上而下的方法，因此，在制造超声波电机时，要采用新观念，站在系统高度来进行设计 加工。此外，微小力矩的测试方法亦是亟待解决的问题，必须改进现有的电机性能参 数检测方法。应充分研究超声波电机的特性和控制策略，研制一些专用和通用控制器， 硕士论文 这是超声波电机应用的基础技术，是发挥超声波电机特长的关键所在。 3 1工程化。工艺上研究采用p z t 薄膜的制备方法与硅机械加工工艺等。研 究超声波电机的寿命问题，特别在极限环境下的性能和适合极限环境的能力，如高 低温和真空环境下性能和寿命问题，是军工应用所必须考虑的。另外，大批量的应用 还要考虑驱动控制电路模块化和标准化。 1 6 本课题研究的内容和意义 本课题是本实验室与国电南自超声波电机研究中心共同合作的项目，主要针对目 前超声波电机特性测试比较繁琐，很多特性无法测试或无法准确测试，测试数据零散 等问题，提出了根据国电南自超声波电机研究中心的现有设备，构建套适合各种类 型的超声波电机测试的超声波电机自动测试系统的方案。 1 6 1 本课题完成的内容 本课题首先构建了超声波电机自动测试系统的硬件平台，完成了其中的基于 e a s y a r m 2 1 0 4 试验板的测速装置的下位机测速软件的开发。 然后开发了超声波电机自动测试系统上位机w i n d o w s 平台下的测试软件，用 v c 十+ 6 0 实现了与测试系统中各仪器、装置的通讯，完成了测试数据的采集、存取、 处理、查询和管理以及测试数据的实时曲线显示和报表显示等。 在超声波电机自动测试系统完成的基础上通过对已经制作完成的环形行波形超 声波电机的测试试验，对超声波电机的特性进行了分析。 在此基础上针对测试系统中信号发生源波形切换速度慢，控制精度不高等阅题， 对测试系统进行了改进，自制了一个双通道、高精度的正弦函数信号发生源，以替代 原有的函数发生器。 1 6 2 超声波电机自动测试系统研究的意义 超声波电机自动测试系统的研究在超声波电机的研究领域中占有相当重要的地 位。表现在： 1 ) 由于目前对超声波电机理论的研究还在探索之中，对超声波电机的多项特性 进行测试和研究，得到充足的试验数据，可为超声波电机理论及其控制器的研究提供 理论依据和试验验证。 2 ) 超声波电机正走向产业化，根据对超声波电机特性的测试结果，可对电机的 优劣进行判断，有助于规范电机生产流程，提高生产效率和电机产品的合格率。 3 ) 自动测试系统借助于自动化的设备，有助于提高测试效率，减少人工干预， 提高数据可信度。 南京理工大学硕士学位论文超声波电机自动测试系统的研究 2 超声波电机自动测试系统的设计 2 1 超声波电机自动测试系统硬件平台的构建 2 i 1 系统构建的原则 本系统硬件平台的构建的原则是：在实现多项测试功能、保证测试精度的基础 上，充分利用国电南自超声波电机研究中心现有设备，节约成本，迅速搭建并投入 使用。 2 1 2 系统硬件平台的搭建 本自动测试系统要实现如下测试功能： 1 超声波电机的实时运行状态和信号源参数的测试 超声波电机的运行状态及信号源参数包括：电机的实时转速、加载在超声波电 机上的两相正弦波的峰一峰值电压、相位差和频率。 2 超声波电机工作特性的测试 超声波电机工作特性的测试包括：电机的外调频工作特性测试( 频率功率) 、 电机的外调相工作特性测试( 相位一功率) 、电机的外调幅工作特性测试( 幅度一功 率) 、电机的力矩速度特性测试、电机的机电时间特性测试( 含起动时间、制动时 间) 。 要实现以上测试功能，结合国电南自现有设备，本系统采用带有u s b 接口的数 字示波器d s 5 1 0 2 c a 测试加载在超声波电机上的两相正弦波的峰一峰值电压、工作 频率、工作相位差，采用基于周立功e a s y a r m 2 1 0 4 试验板的测速装置测试超声波电 机的实时转速、机电时间特性，采用电机测功系统对电机的功率以及力矩进行测试。 综合以上仪器装置，本系统的硬件平台如图2 i 所示； 图2 1 超声波电机自动测试系统硬件平台示意图 下面就系统中几个主要仪器装置进行介绍： 9 超声波电机自动测试系统的设眇堕迨塞 1 双通道函数发生器a f g 3 2 0 a f g 3 2 0 是美国t e k 公司生产的一种函数发生器，既有函数发生器功能、又有任 意波形发生的功能；它能提供两个独立的通道；另外a f g 3 2 0 还可通过g p i b 接口发 送由上位机编辑的波形；它的频率分辨率为l o m h z ，相位分辨率为1 度。 a f g 3 2 0 在本测试系统中起信号发生源的作用，它产生的两个通道的正弦波频率 分辨率为i o m h z ，相位分辨率为i 度。 2 p c i g p i b 卡 p c i g p i b 卡是计算机与函数发生器a f g 3 2 0 的g p i b 口进行通讯的接口。本系统 采用美国n i 公司的p c i - - g p i b 卡，其特性如下： p c 机用p c i 总线，完全与i e e e 4 8 8 2 兼容； m i t ep c ia s i c 一总线控制d m a 控制器； 最大i 0 速度：1 5 l 蜘o y t e s s ( i e e e 4 8 8 i ) ，7 7 m b y t e s s ( h s 4 8 8 ) 。 3 数字示波器d s 5 1 0 2 c a d s 5 1 0 2 c a 是美国r i g o le l e c t r o n i c 开发的具有高性能指标和强大功能的数字 示波器。它有两个通道，每个通道带宽1 0 0 m 。通过1 g s a s 的实时采样和5 0 g s a s 的等效采样，可在d s 5 1 0 2 示波器上观察快速的信号。强大的触发和分析能力使其 易于捕获和分析波形。清晰的液晶显示和数学运算功能，便于用户更快更清晰地观 察和分析信号问题。 d s 5 1 0 2 c a 应用在本系统中测量加载在超声波电机上的两相正弦波的峰一峰值 电压、工作频率和工作相位差，其中电压和频率数据可直接通过u s b 接口传到中心 计算机上，而工作相位差需根据传到上位机的波形数据进行计算得出。 4 基于周立功e a s y a r m 2 1 0 4 试验板的测速装置” 本测试系统要求对超声波电机的起动、制动速度和平稳速度进行测试，由于超 声波电机的起动和制动时间基本是m s 级的，对测速装置要求较高。本测试系统采 用由周立功e a s y a r m 2 1 0 4 试验板、2 0 4 8 线的光电编码器和固定支架组建成的超声波 电机的测速装置对超声波电机的这三种速度进行测试，能采集到光电编码器的每个 脉冲，可以达到超声波电机起动和制动速度测试的要求。 周立功e a s y a p 瑚2 1 0 4 试验板是款简单的3 2 位a r m 开发学习板，采用的是 p h i l ，i p s 的a r m 7 t d m i s 核单片机l p c 2 1 0 4 ，具有f f t a g 调试功能。板上提供了一些键 盘、l e d 、r s 2 3 2 等常用功能部件。其试验板硬件主要包括如下几个部分； a r m 核芯片采用的是p h i l i p s 的l p c 2 1 0 4 ： j t a g 仿真； 板上具有主从j t a g 选择电路； 所有i o 全部引出可以和用户的外部电路连接搭配： 南京理工大学硕士学位论文 超声波电机自动测试系统的研究 4 个独立l e d 、6 个独立键盘控制； 具有r s 2 3 2 转换电路可与上位机进行通讯； 具有i2 c 器件、s p i 器件接口器件； 具有滤波电路p w m 输出、可实现d a c 转换功能： 板上的功能部件可以用跳线器连接或断开连接。 图2 2e a s y a r m 2 1 0 4 试验板图片 测速装置中将光电编码器的a 相接在试验板中l p c 2 1 0 4 的c a p o 0 接e j 上，光 电编码器的电源和地与试验板的电源和地共用。测速数据通过试验板的串口可以上 传到上位机，并由上位机处理。 5 电机测功系统 电机测功系统主要用来对超声波电机的输出功率进行测试，可以同时控制和测 量施加到超声波电机上的负载。本系统中采用的测功系统是杭州威格电子科技有限 公司的o j c - 3 电机型式试验自动测试系统，系统包括j n 3 3 8 a 动态传感器，c z 型磁 粉制动器、平板、v g 2 2 1 8 a 测功机控制器、单三相电参数测量仪、控制柜和电脑等。 其中j n 3 3 8 a 动态传感器可将转矩、转速转换为电信号，其特性如下： 根据电阻应变原理把弹性体受阻转力矩产生的变形转换成与其成线性的电 信号，转速测量依据光电码盘原理； 图2 3 电机测功系统图片 电源供电，信号输出采用无接触耦合方式，无环流、无电刷、运行无摩擦 适合高速连续量使用； 超声波电机自动测试系统的设计 硕士论文 不需调零，精度高； 可测量稳态扭矩和动态扭矩。 图2 4j n 3 3 8 a 动态传感器 图2 5c z 型磁粉制动器 c z 型磁粉制动器由测功机控制器控制给测功系统加负载。本测功系统中选用的 是最大制动力矩为i o n m 的制动器。 v g 2 2 1 8 a 测功机控制器与j n 3 3 8 a 型传感器配套使用，可测试电机输出功率，控 制和测量施加在电机上的负载，其功能如下 显示转矩( n m ) 、转速( 转分) 、输出功率( k w ) ，自动励磁调节； 具有r s 一2 3 2 c 接口。 图2 6v g 2 2 1 8 测功机控制器 本测功系统通过r s 2 3 2 接口与中心计算机相连，计算机发出读数或控制指令， 将转矩、输出功率等参数读到计算机，或控制测功系统进行。 2 2 超声波电机自动测试系统的软件设计 本系统的软件分为上位机软件和下位机软件两部分，上位机软件设计需要达到 以下功能： 1 ) 与下位机各仪表和测试装置的通讯： 2 ) 测试界面显示； 3 ) 测试数据的分析处理和报表输出； 4 ) 测试数据的计算机管理与查询； 5 ) 打印功能 下位机软件设计即基于周立功e a s y a r m 2 1 0 4 试验板的下位机测速模块的软件设 计，需实现如下功能： 南京理工大学硕士学位论文超声波电机自动测试系统的研究 1 ) 对光电编码器送到单片机i o 口的脉冲信号的处理： 2 ) 将处理后的测试数据实时上传到上位机。 2 2 i 基于周立功e a s y a r m 2 1 0 4 试验板的测速模块的软件设计 下位机软件的设计分为起动速度的测试、制动速度的测试和平稳速度的测试三 部分。本软件对这三种不同速度的测试采用不同的方法。 1 起动速度的测试 超声波电机的启动过程非常快，一般在m s 级。为了保证起动速度测试的高精 度，需将光电编码器产生的每个脉冲的时间记录下来。由于单片机处理速度和串口 通讯速度的限制，脉冲时间不宜实时上传，故采取先将脉冲时间存储在单片机的r a m 中，测完后再上传的方式。由于l p c 2 1 0 4 的r a m 大小的限制，本软件存储了6 0 0 个 脉冲时间的数据，光电编码器产生6 0 0 个脉冲的时间相当于超声波电机起动了大约 三百毫秒，超声波电机此时已进入稳定运行状态，故6 0 0 个脉冲时间的数据完全可 以描述整个启动过程。 起动速度测试的流程如下：光电编码器接到a r m 单片机l p c 2 1 0 4 的c a p o 0 口， 设置该i o 口为定时器o 捕获工作方式。超声波电机启动后，光电编码器便不断产 生脉冲，将这些脉冲产生的时间存入单片机r a m 中，当捕获到的脉冲数达到6 0 0 个 时，测试结束，将6 0 0 个时间值一起上传到上位机。e h _ e 位机对这6 0 0 个时间值进 行处理。 这种测试方式由于记录了光电编码器产生的每个脉冲，故可以非常细腻地观察 出超声波电机起动过程中速度的变化，对超声波电机控制器的研究很有意义。 2 制动速度的测试 超声波电机的制动过程也非常快，故对超声波电机制动速度的测试同样采用先 保存6 0 0 个光电编码器脉冲产生时间，后上传的方法。 制动速度测试的流程如下：首先设置接到单片机i o 口c a p o 0 为定时器0 捕 获工作方式。制动过程开始后，单片机不断保存光电编码器产生的脉冲到来的时间， 当存满6 0 0 个时间值后，继续捕获脉冲，将脉冲时间值从前往后依次覆盖。在每次 进入定时器0 的捕获中断时，定时器l 复位并开始计时，若定时器1 计时0 5 s 到， 仍无捕获中断，则认为超声波电机己停止，测试结束，将单片机r a m 中当前的6 0 0 个时间值从最后保存的时间值起上传到上位机。 3 平稳速度的测试 平稳速度的测试的方法是向上位机传送0 5 s 这段时间内c a p o 0 口捕获的脉冲 个数。 超声波电机自动测试系统的设计硕士论文 图2 7 钡8 速装置下位机软件主程序框图 4 下位机软件流程图 主程序流程图如图2 7 所示，其中s t a t e 标记速度测试的种类，0 x 0 1 表示起动 速度的测试，0 x 0 2 表示平稳速度的测试，0 x 0 3 表示制动速度的测试，0 x 0 0 表示等 待。 串口中断服务程序主要用来接收上位机发送的指令。框图如图2 8 所示。 图2 8 测速装置下位机软件串口中断服务程序框图 定时器0 中断服务程序框图如图2 9 所示。 图2 9 定时器0 中断服务程序 定时器l 中断服务子程序框图如图2 1 0 所示。 南京理工大学硕士学位论文超声波电机自动测试系统的研究 图2 1 0 定时器1 中断服务程序 2 2 2 上位机软件的设计 上位机软件用v c + + 6 0 编写，主要完成测试界面的显示、测试数据的处理、读 取保存和打印。上位机软件分为与下位机各仪表与测试装置的通讯模块、测试画面 的照示模块、测试数据的存取模块、报表显示模块、打印模块。下面对以上各模块 的软件设计进行分别介绍： l 。与下像桃各仪表与测试装置的邋讯 1 ) 与双通遥函数发生器a f g 3 2 0 的g p i b 口的通讯 由于计算机与a f g 3 2 0 的g p i b 口通过p c i g p i b 相遴，故与a f g 3 2 0 的通讯就是 与p c i - g p i b 的通讯。燕子上饺机与p c i - - g p i b 的通讯，n i 公司提供了程序席，在 v c + + 6 0 中只需加入n i 公司提供的文件“g p i b 一3 2 o b j ”，包含“n i 4 8 8 。h ”头文件， 就可童按调用操作g p i b 口的醋数，与灞数发生器通讯。 从函数发缴器的编程用户手册可黉到函数发生嚣的操作命令，调用“n i 4 8 8 h ” 头文佟中静“i b w r t ”涵数，可戳向函数发生器发送撩作命令，实现对函数发生器 的控制。 本软 孛编写了一个与g p i b 绩西邋谦静类c c o mg p i b ，实蕊了与g p i b 接翻的通 讯。c c o m _ g p i b 的公共接口函数有如下三个： 褪始设藿交数，为黠蕊数发生器发遴正弦渡豹毫毽蝾一漳氆、 频率值、相位差值作准备。 v o i d 蠹矗鹱) ； 给函数发生器发送正弦波的电压峰一峰值、频率值、相位差值。 v o i ds e n d w a v e ( f l o a tv a m p ，f l o a tf r c q ，i mp h a s e ) ； 关闭函数发生器两个通道。 v o i dc l o s e ( ) ； 2 ) 与数字示波器d s 5 1 0 2 c a 的u s b 接口的通讯 与示波嚣u s b 接口懿逶最，r i g o l 公霹篷提供了麓态链谈疼 “d s s 0 0 0 u s bu i m l ”，只需在v c + + 熙导入动态链接库，调用g e t p r o c a d d r e s s 来 1 5 超声波电机自动测试系统的设计 硕士论文 获取d l l 导出函数的地址，便可对u s b 接口进行读写操作。具体代码如下： h l i b r a r y _ u s b = l o a d l i b r a r y ( ”d s 5 0 0 0 u s b _ _ u i d l l ”) ； w r i t e _ u s b = ( _ w r i t e ) g e t p r o c a d d r e s s ( h l i b r a r y _ u s b , w r i t e _ u s b ”) ； r e a d _ u s b 。( _ r e a d ) o e t p r o c a d d r e s s ( h l i b r a r y _ u s b , r e a ( 1 _ i s 彤) 。 通过对示波器发送操作指令，可实现直接读取示波器测得的正弦波峰一峰值电 压和频率值，由于示波器没有直接测量相位差的功能，故需先取出示波器某一时刻 画面中的所有值，然后进行处理，才能得到相位差的值。处理流程如图2 1 l 所示。 图2 11 计算示波器中两正弦波相位差流程图 由示波器孛歪弦波每个凰然镪含豹点麴个数耪逶道、二测季孽泌波形数搀中趣 邻零点的序号计算得到两个正弦波相位麓的原理如图2 1 2 所示。 图2 1 2 计算相位羞原理图 强2 1 2 中，n 嘲为个正弦波瘸麓中包含瀚点静个数，如采得到静波形数据的 零点的序号为一和x ：，则计算得到的相位差值为( k x 2 i n u m ) * 3 6 0 ，如果得到 瓣波形数援零点戆序号为墨和墨，鬟l 诗髯褥到酌籀位差德为 ( ( 竿一卜均i ) - “卅) + 3 6 0 。 本软件编写了一个与u s b 搂翻通讯的搂c c o m _ u s b ，实现了与u s b 接阳的通讯。 1 6 堕塞里三查兰堡圭堂堡堡苎 塑主墼皇垫窒垫! ! 蔓墨垫塑婴塞一 c c o mu s b 的公共接口函数有如下三个： 读参数函数( 接口函数) f l o a tr e a dv a m p ( c s t r i n gc h ) ； f l o a tr e a d _ f r e q ( c s t r i n gc h ) ； f l o a tr e a d _ p h a s e 0 ； 3 ) 与电机测功系统的串口通讯 本软件的串口通讯采用通用的c s e r i a l 类，该类的接口函数有如下几个； b o o lo p e n ( i mn p o r t = 2 ，h a tn b a u d ；9 6 0 0 ) ；打开串口 b o o l c l o s e ( v o i d ) ； 关闭串口 i mr e a d d a t a ( v o i d8 ，i n t ) ； 读取数据 i ms e n d d a m ( c o n s tc h a r ，i n t ) ；发送数据 b o o l i s o p e n e d ( v o i d ) r e t u m ( m _ b o p e n e d ) ；) 笋l j 断串口是否打开 电机测功系统( 下位机) 与上位机的通讯采用生产厂家规定的通讯规约进行通 讯，波特率固定为9 6 0 0 b p s ，数据帧由1 0 位组成：l 位起始位、8 位数据位和一位 停止位。 上位机控制所有在r s 2 3 2 通讯回路上传递的信息。在任何情况下，下位机不主 动发送信息，下位机只有在正确收到上位机发送的信息后，才回送相应的信息。上 位机发送命令后一定时间( 2 0 0 m s ) 内若没有接收到下位机回送的正确接收消息，则 重发二次，若仍然没有接收到，则认为通讯故障，报警。 上位机对下位机发送信息有两种，一是通过设置电机测功系统的d a 转换器的 值，对测功系统的负载进行控制，另一个是向测功机发送读取控制器测量值的命令： a ) 1 2 位o h 转换器的转换值 数据格式如下： s t x 十f u n c + d a v + c h k s + e t x 其中： s t x 为0 2 卜表示通讯开始； f u n c 为功能码( d a h ) 表示传递的是d a 转换设定值； d a v 为d a 转换的设定值( 5 字节高位在前的a s c i i 码) ： c h k s 为校验和； e t x 为0 3 1 - 1 表示通讯结束。 b ) 读取测功机控制器测量值命令 数据格式如下： s t x 十f u n c 十c h k s 十e t x 其中： 1 7 超声波电机自动测试系统的设计 硕士论文 s t x 为0 2 h 表示通讯开始： f u n c 为功能码( d a h ) 表示传递的是d a 转换设定值； c h k s 为校验和： e t x 为0 3 h 表示通讯结束。 相对于上位机发送至下位机的命令，下位机传送至上位机的信息也有两种，一 种是回复上位机d a 转换设定值的信息，另一种是回送测功机测量值的信息： a ) 当正确接收到上位机发送的d a 转换设定值时回送己正确接收的信息 数据格式如下： s t x + f g n c + c h k s + e t x 其中： s t x 为0 2 卜表示通讯开始； f u n c 为功能码( d a h ) 表示接收到的是d a 转换设定值； o k 为5 a h 一表示正确接收到d a 转换设定值； c h k s 为校验和； e t x 为0 3 h 表示通讯结束。 b ) 当正确接收到上位机发送的读取测功机控制器测量值命令时回送测量值 数据格式如下： s t x 十f u n c 十s p d + t o r d 十p o w e r + c h k s + e t x 其中： s t x 为0 2 h 表示通讯开始； f u n c 为功能码( 5 2 h ) 表示回送的是测功机控制器的测量值： s p d 为测得的速度值( 5 字节高位在前的a