（电机与电器专业论文）柱体超声波电机驱动控制技术的研究.pdf

a b s t r a c t u l t r a s o n i cm o t o r ( u s m ) i sa r e l a t i v e l y1 1 e wt y p eo fd i r e c t - d r i v em o t o r , i tu t i l i z e s t h eo o n v 口 s cp i e z o e l e c t r i ce f f e c ta n dt h ef r i c t i o nc o u p l i n go p e r a t i o nb e t w e t ：nb 妇t t o r a n dr o t o rt od r i v e , a si sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a le l e c t r o - m a g n e t i cm o t o r u s m h a sm a n ye x c e l l e n tp e r f o r m a n c e sa n df e a t u r e ss u c ha sh i ；馥t o r q u ea tal o ws p e e d , c o m p a c t n e s si ns i z e ，h i g hh o l d i n gt o r q u ew h e np o w e ri so f f , i n s c 燧i t i wt om a g n e t i c f i e l d s , f a s t 豫罐1 0 ：岛n on o i s ea n ds oo i lc y l i n d r i c a lu l t r a s o n i cm o t o 培p l a ya n o t a b l e p a r ti na c c u r a t ec o n t r o lf i e l d sf o rt h e i rm e r i t so f s m a l lv o l u m e ，s i m p l e n e s so f s t m e t u r e a n dn oc e m e n t a t i o nt h a th a v em a d et h e mg o o dm a r k e tp r o s p e c t s s o , i ti ss i g n i f i c a n t f o rt h ed r i v ea n dc o n t r o lc i r c u i tt oe x e t 瞳e x c e l l e n tc o n t r o lc a p a b i l i t yo f t h em o t o r i nt h i sp 箍p t h ed r i v i n g - c o n t r o l l i n gc i r c u i to fc y l i 硼f i 碰u l t r a s o n i cm o t o r b a s e do nm i c r o c o n t r o l l e rp i c l 8 f 2 4 3 1 i sd e s i g n e d a n di na c c o r d a n c ew i t ht h e c o n t r o l l e rd e s i g no f t h ed e m a n df o rc o r r e s p o n d i n gs o f h v a ms p e e da n dl o c a t i o no f m o t o ra g ot e s t , a n dc a 衄v ch a v eb e e nc o m p a r a t i v e l yi d e a l0 1 1t h ec i r c u i t ，h a v er e a c h e d d e s i g nd e m a n d t h ec o n t e n t s 瓣s u m m a r i z e d a sf o l l o w s ： 霸重eh i s t o r yo fu s ma n dr e s e a r c ho 豇m i n i a t u r ec y l i n d r i c a lp i e z o e l e c t r i c u l t r a s o n i cm o t o ri s b r i e f l yi n l r o d u c 缸晚b e g i nw i t h c h a r a c t e r i s t i c so f p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c , t h eo p e r a t i o nm e c h a n i s m a n dp r i n c i p l eo f m i n i a t u r ec y l i n d r i c a l p i e z o e l e c t r i cu l t r a s o n i cm o m r a r ea l s od i s c u s s e d a d r i v i n g - c o n t r o l l i n gc i r c u i tb a s e do nm i e r o c o n t r o l l e rw h i c hu s i n gt h el o g i co f p o w e rc o n t r o lp w mm o d u l ew i t hf r e q u e n c yd i v i d i n gc i r c u i tt od e s i g nan o v e l d r i v e w a v e f o r mg e n e r a t o r - d r i v e na p p r o a c h a n di tr e a l i z e st h ec l o s e w i s ea n dr e v c l 3 e o f m o t o rt h r o u g ht h es i m p l ec i r c u i tl o g i cc h a n g e 1 1 1 ep a p e rd e s c r i b e st h es t 哪姗o ft h es o f t w a r e , i n c l u d i n gt h ep a r t so np c ，o i l s c m ，c o m m u n i c a t i o n , a n dt h et h e m eo ft h es p e e dm e a s u r e 删r e g u l a t i o na n d p o s i t i o ni nt h i sd r i v i n g - c o n t r o l l i n gc i r c u l l 1 1 kp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fp - a d j u s t i n ga n dp m - a d j u s 血ga n dh a v e s o m ee x p e r i m e n tb yu s i n gp - a d j u s t i n ga n dp i d - a d j u s t i n gs p e e da n dp o s i t i o nc o n t r o l o f c y l i n d r i c a lu s m f i n a l l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h em a i n c o n t e n ta n dt h en e e dt oi m p r o v ep a r t so f t h en o t e k e y w o r d s ：c y l i n d r i c a lu l t r a s o n i cm o t o r , d r i v i n g - c o n t r o l l i n gd r e u i t , m i c r o c o n t r o l l c r , p i d a d j u s t i n g , s p e e da n dp o s i t i o nc o n t r o l 东南大学学位论文独创性声明 本人声嘲蘑壁交的学位论文怒我个人在导弼指导下述行懿研究工俸及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发寝或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教宵机构 的学蕴或证书嚣侵雳过戆耪辩。与凌弱工终的弼恚对零磺究藏徽豹任秘受敲均 已在论文中俸了赞确的说明并表承了谢意。 研究生签名：羞盔墨日期：三竺童：! ： 东南大学学位论文使用授权声臻 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件釉电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 毫子文整兹凑褰和纸度论文熬痰褰耀致。菰在傣密攒瘤戆搽密论文努，灸诲谂 文被查阅和借阙，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公稚( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 谣者乞 导师签名：蛐迭日 期：立立立 第1 章绪论 第1 章绪论 超声波电枫 m p l a bi c d2 ， 选择m p l a bi c d 2 作为调试器，点击州e c t 一“n e wp r o j e c t ”，输入正程名， 选择c o n f i g u r e s e l e c td e v i c e ，从d e v i c e 列袭框中选择p i c l 8 f 2 4 3 1 。擐终环境 设爨絮嚣3 4 瘊承。 笳程序调试：实时地执行代码，1 打开源文件或程序存储器窗口来焱着。2 选撵d e b u g g e r r u n ，处理器会一直运行，直到遇到断点。当处理器暂停运行后， 可以通过单步模式执行代码。 图3 4 调试环境设霉图3 - 5 程序调试 3 ) 修改目标代码并重新生成h e x 文件：打开源文件对代码傲修改，使用 p r o j e c t b u i l d a l l 米编译，重新嫩成h e x 文件，最后再选撵d e b u g g e r p r o g r a m ， 将羹凝建熬h e x 文终烧写委| 嚣锋孛。骖改源鼗玛，重毅缡译瑗曩，势熬复上述 步骤，壹封应用稔序按照设计藏常运行。遮怒纤发过程中簸重要的也怒麓复杂酶 表毒丈学颈士学德论文 一部分。如图3 - 5 所示憝熨际调试时的截图。 4 ) 完成应用：当完成代码调试，并按照期勰运行，就可以使用m p l a bc d 2 作为编程器来烧写器件a 操作为：选择p r o g r a m m e s e l e c tp r o g r a t m n e r m p l a b i c d 2 ，来选择m p l a bi c d 2 作为编程器。 3 3 魄臻设计 由系统结构框图可知，超声波电机控制系统的硬件设计主要包括基于p i c 单 片机的控制电路设计、驱动电路设计两个部分。基于p i e 的控制电路主要完成测 量电机转速、位置以及和上位机、驱动电路；鞣动电路主要负责给怒声波电机提 供鼹棚赢频交流驱动电鹰。对超声波电机两蠢，其驱动电压为两捆电压，采用提 挽驱动惫路霉要霆臻p w m 羟豢l 缤号，夏墓予p i c l 8 f 2 4 3 1 静羟锈褰黪雨罄吴有 丰富的p w m 资源，能够满足本课题所研究的超声波电机的控铡袋求。由于驱动 波形浠露两两相位差为9 0 。，故按照常规做法p i c l $ f 2 4 3 1 需要调用两定时器， 但本论文考虑到p i c l g f 2 4 3 1 实现p w m 控制信号的方便性以及易操作性，故采 用加一简单的分频电路实现采用一定时器产缴所需p w m 信号，丽不采用软件方 法实现。基子单片枫p i c l 8 f 2 4 3 1 的柱体超声波电机驱动控制电路实物如下匿3 6 掰示# 图3 基于p i c l 8 f 2 4 3 1 的骥动控制电路 电路设计主要包括了分频电路，逻辑电路、驱动电路及功放电路，下面详细 缝夯缓： 3 3 努菝毫臻 分频电路采用的是集成数字计数器7 4 h c l 6 1 ，作用是将单片机输出豹一路 p w m 波形频率减半，作为2 个驱动芯片i r 2 1 0 3 的输入端。利用7 4 h c l 6 1 的时 序逻辑，始能e n p ，e n t ，l d ，c l k 为从单片机p w m 模块输入的波形，q o 使得输出频率为输入频率的一半的波形，它输出给驱动电路i r 2 1 0 3 的引脚，石磊 第3 章挂体麓声波电辊驱动控锚电路的研究 为计数器的始鼹端，接一上拉电隰w 以使得计数器7 4 h c l 6 1 在上电瞬阕不始能， 即输入1 r 2 1 0 3 碍i 脚电平为0 。图7 为分频电路原理圈，圈8 为实际集成计数器 输入输出波形。它将频率为6 0 k h z 的p w m 波形输出为输出频率为3 0 k 的p w m 信号。 c mv r c o p o 钟 p l q 1 m 堪 p 3 氆 g 。，。，i 。o _ _ ， ：门n r n ；几几n 眨 曩! ，一：o 点玉。； 妇：o i 盆；：二城歹 图3 - 7 分频电路豳3 - 8 分频电路输入输出波形 3 3 。2p 删驱幼信号的生成 功率p w m 模块主要是产生三路电压、频率一样的p w m 波，p i c l 8 f 2 4 3 1 有6 令p w 蚴弓l 黪，可以逶避懿蹩p w m 定辩器羧铡蹇存嚣p t c o n ，p w m 控裁寄存器，p w m 葬重基毒存器，p w m 周絮毒存器戳放p w m 占空笼毒露器设 置输出p c p w m 的数量、周麓、蠢缴眈、运行模式。翻3 - 9 和3 1 0 为用m p l a b s i m 软件仿真得到的输出的六路p w m 波形。其中图3 - 9 三组波形都为互补模式， 图3 1 0 中第二组是自由模式。 图3 9 童路互幸i , p w m 波形图3 _ l o 两路互补一路自由p 州波形 3 3 3 逻辑驱动电路 功率驱动电踌采用推挽逆变电鼯实现，如图4 所承( 两糨对称仅画一棚) ， i r 2 1 0 3 为m o s f e t 管戆专惩驱动魄路，控裁m o s 管q l 、猛交螯导逶，i r 2 1 0 3 静输塞信号h o 秘l o 经过m o s 蛰氍舞压变压器逆交放大褥豸匪隆正弦波输给 电机。 东南大学硬士学位豫文 圈3 1 i 推挽驱动咆路 m o s 警q 1 - q 4 完全溪逶跨，瓣深阕电鼹v g s 终为t 2 v ，嚣i r 2 1 0 3 输出裹 耄乎臻蟹戆驱动毫嚣霄农1 0 v - 2 0 v 范围之闻，掰疆选择i r 2 1 0 3 俸为m o s 管熬 驱动芯片是合适的。i r 2 1 0 3 的输出信号h o 和l o 分别驱动一相溅弦波电路的两 个m o s 管，它的输入信母h i n 、历i 与输出信号h o 、l o 的逻辑关系【3 】如下图 3 1 2 袭示： 。燃门 厂 溅厂 厂 r 。盛厂r 几 1r n厂 图3 1 2i r 2 1 0 3 逻辑关系 由图可看出i r 2 1 0 3 的输入与输出信号逻辑关系为：当输入信号h i n 和z 丽都 为高电平时，输出h o 为商电平，l o 为低电平，当h i n 和i 两都为低电平时， 输出h o 输出为低电平，l o 输出为高电平，其余情况皆为低电平，因此可由如 图3 一1 3 魇示斡两驱动模块1 r 2 1 0 3 的输入波形褥到如图3 1 4 魇承的两驱动模缓 i r 2 1 0 3 戆输窭波形。孬蘩3 一1 4 舞示歪是我裁黉要夔驱魂m o s 繁豹波形。 图3 1 3 输入i r 2 1 0 3 波形 ； ， 2 l 唾 第3 章柱体超声波电机驱动控制电路的研究 图3 1 4 输出1 1 1 2 1 0 3 波形 编程时根据这样的逻辑关系使得控制四个m o s 管的p w m 波形的占空比为 2 5 ，同时为了防止m o s 管直通而烧毁，应保证输入引脚h i n 和l n 不能同时 为高电平或同时为低电平，解决的办法是将r b 0 ，r b l 引脚分别接一上拉电阻。 3 3 4 正反转实现 功率p w m ( 简称p c p w m ) 模块是p i c l 8 f 2 4 3 1 单片机的一个重要组成部分， 本文通过分频电路，不但可以用一个定时器t n n e r 5 实现四路占空比2 5 、相位 差9 0 。的p c p w m 波形，而且正反转实现也很方便，原理为：改变输入z 丽引脚 的极性，保持输入h 1 n 引脚不变，且只须接p w m 0 ，p w m l ，p w m 2 三个引脚， p w m 0 ，p w m l 分别接两i r 2 1 0 3 的h i n ，p w m 2 接两i r 2 1 0 3 的i 两，即改变p w m 2 的输出极性，而保持p w m 0 ，p w m l 输出极性不变，这样也可以实现与图3 - 1 4 相位差9 0 。的波形，从而输出两路正弦波相位差互调，实现电机的反向控制。 实现时序图如图3 1 5 所示： i 雉转i反转 i p w m o p w m l p w m 2 图3 一1 5 正反转控制时序图 1 。| q 2 0 东嘉丈学醺圭擘接论文 其体实现过程如下：邋过改变功率p w m 的输出模式实现，即改交p w m 控 制寄稃器p w m c o n 0 ，先使能位6 - 4 的值p w m e n 2 - p w m e n 0 = 0 1 l ，即使能 p w m 0 、p w m l 、p w m 2 ，假设位1 - 0 的值在藏转情况下p w m o d i 。p w m o d 0 = 0 0 ， 则若簧艇转改变位1 - 0 的馕必p w m o d i p w m o d 0 = 0 i ，这样就实瑷了正反转情 况下改变p w m 2 夔输出极性，丽p w v 1 0 ，p w m l 输出投经不变。 当然，我密改变p w m 0 ，p w m l 辕鑫羧建，露维持p w m 2 黪瓣蠢援缝不变， 也是w 以韵。另外，使能p c p w m 的六路p w m ，我们还可以通过调用不同的p w m 引脚檄性实现电机的正反转，此种方法不需露改变输出模式，但对擞时性要求较 高。氍本文中采用了第一种方法，运行得比较简便和稳定。 3 3 。s 驱戆电路 驱动超声渡龟梃需癸两裙骜匿蹇颤交变激磁绩号，耱差为9 0 0 ，两糖努囊虫 舞驻变藤器t l 帮砣输滋。超声波龟飘葵率驱旗功筏是褥囊葫嚣戆控螽| 鑫号转 化为驱动电机运行的功率储号。常见的开关逆畿型驱动电路有推挽晦路、全桥电 路、举桥电路，其中推挽结构如图3 1 l 所示，企桥电路和半桥电路继构如图3 1 8 ， 3 1 9 所示。 其中全撬电路每个糖麟煮嚣个野关管，控制信号使鼹维桥臂轮流导逶潋改交 交藤器蒙这中电流簿方惫，在变压器裁逮感盛魍交变豹电压籍号来驱动毫瓤。萁 特点燕采j 鬻i 程弱墅号器静静条停下，龟臻戆输出功率较夫，逶会予驻动功率较大 的电机。 浅半桥电路中，变聪瓣原边两端分别电容c l 、c 2 的连接点和开关管q 1 、 q 2 的避接点。电容c 1 、c 2 的电压分别为v i 2 。q l 与q 2 交替导邋，使变压器 原边形成交流电压。半携型电路拜关器俸少、嗽流等级大、功率成零要低，毙较 适鼹予对藏本要求苛刻豹璐台。 图3 1 s 全桥电路 圈3 1 9 半桥电路 瓣予推挽电路，两个舞美管在控毒信学瓣佟惩下惩期性交蛰鼯潺，在变歪器 豢迓产垒褪爱戆毫流，扶褥在变压器到边慧魔如交变戆邀压番号。戴毫籍饶点是 绪瘸麓攀，螽嚣嚣箨鞍少，蠢髑予簿低器搏缀耗帮或零，骛翔遥躅予可提供毫垂 较低的场合。 功帮驱动电路采用推挽逆变电路实现。m o s 管q l 和q 2 的栅极信号为相差 1 8 0 0 频率相同，占空比为2 5 的方波信号，控制该两管通断，q l 和q 2 的交替 导逶控制变压器t l 的正发浮通方向，由于越声波电机是大容健受载，再透过匹 第3 章柱体超声波电机驱动控制电路的研究 配电路作用，能够滤除驱动电压的高次谐波分量，将直流电压转换成交流电压， 因此施加在超声波电机上的驱动电压波形接近正弦波【4 】。q 3 和q 4 为类似情况， 只是其栅极信号比q l 和q 2 相位差落后9 0 0 。 基于p i c l 8 f 2 4 3 1 的控制电路产生两相相位差为1 8 0 0 的p w m 控制信号，两 路p w m 控制信号分别控制m o s 管q l 、q 2 和q 3 、q 4 的导通关断，变压器在 一个工作周期t 内经历了以下四种状态： ( o ，1 4 t ) m o s l 导通，m o s 2 截止；绕组1 直接接地，绕组2 经m o c 2 接 地： ( 1 4 t ，1 2 t ) m o s l 与m o s 2 均截止，绕组l 和2 都经m o s 管接地； ( 1 趁t ，3 4 t ) m o s l 截止，m o s 2 导通，绕组1 经m o s i 接地，绕组2 直接 接地； o 4 t ，t ) m o s l 和m o s 2 均截止，绕组l 和2 经m o s 管接地。 3 3 6 变压器及匹配电路设计 ( 1 ) 高频变压器设计【5 j 驱动电路为推挽驱动方式，它的电路简单、通态损耗小。两个m o s 管在控 制信号下周期性交替导通，在变压器原边产生相反的电流，在副边感应出交变的 电压信号。推挽电路对变压器工艺要求较高，要求饱和磁通密度高，高频磁滞损 耗小，且随着温度升高其饱和磁通密度下降较小。要求绕制变压器时要求变压器 原边两个线圈对称性良好，否则会导致变压器流过电流变大，另外驱动交流正弦 波存在高次谐波的影响。驱动电路中，变压器起着重要的作用，变压器的设计主 要是以功率和原副边的电感及阻抗确定变压器的参数。 1 ) 铁芯材料的选择： 磁芯的选择主要是选择合适的磁芯以便能安全的传输所需要的功率。变压器 工作在高频，要求饱和磁通密度高，高频磁滞损耗小，且随着温度升高其饱和磁 通密度下降较小。在系统设计过程中，使用了一种为铁氧体磁芯。因为它的导磁 率高，这样的变压器激磁电流小。 2 ) 变比的确定： r g 为超声波电机额定工作频率对应的阻抗，r t 为变压器初级的等效阻抗， 初级绕组为n 1 ，次级绕组为n 2 ，变压器变比之间满足关系： 一n 2 ：匹( 4 - i ) n ly r t 3 ) 绕组匝数的确定： 超声波电机在高于谐振频率点时效率最高，此时频率五满足： 兀2 司1 雨 铊 为了保证变压器饱和，并减少漏感参数，变压器采取加气隙的方法，加气 隙和电感为： 东毒夫学颈学位谂交 l ：垫堡：堕( 4 - 3 ) 占 其中l 2 是变压器次缀电感，c 为电机的静态电容，s 为变压器铁芯面积，鳓 势囊空耱罨磁率，艿爻气隙长度。薮在交莲嚣次缀逄惑礁定下苏褥到次缀绕组 熬嚣鼗，再有交羲：关系霹褥掰舞缓绕蕴垂鼗。 4 ) 线径鲍选择： 绒径理论上是要根据濑避电流的有效值，选取导线的截面积，嶷体使用数据 参考义献i 1 。 本系统设计的变压嚣絮鼹铁氧体材料，辉掰磁芯，它的瀑磁较少、效率较高， 凳是变罐器工艺经差，线隧绕裁匿难。漆包线蠢予赌买不方便移实际热王懿难疫， 寒疣金蔽理诠嚣雾绕麓，采鼹绕线鼗送行手王绕鹾。藩裁逮麓缀鞭数秀? 帮3 5 ， 交沈为i ：5 ，实测得原副边电感大小分别为0 2 5 m h 和1 6 7 强烈。实物图觅图 3 - 6 上。 ( 2 ) 甄配电路的设计 超声波电机在所工作的频段虑呈容性受载特性，鸯了使能鬣进行有效的传 递，摄糍驱动毫籍鼗零，在疆韵毫源与超声浚奄撬之闻登矮热蕊聚电路。匹配电 籍褥来浚善驱凄毫嚣毒毫概之瓣兹舔台程发，敬荣驱魂龟貉懿波形，藏奎嘉颏谱 波分鬣，使加在超声波电机捉载上的驱动电聪接近正弦或余弦波形，以免激励出 定予的熟他非工作模态。 用最小相位匹配的原则【6 】，用示波器观察，保证输入振子信母频潜分量最少 即可保证系统较高的效率。考虑到超声波电机的阻容特性，可以串联暾惑来解决， 懿爨2 0 ，2 瑟示趣声波电机串联电感匹配，它逐霹戳改善毫瓿鸯憩路戆爨合程 度。懿魄瓤季筝轰容牲受载，嚣蕺邀惑匹配懿选撵羧据： 扯蒜 ( 4 q 则墩感参数l 选择为： 。r2 ell 如瓣2 磊一阵习 熊中：f 为电机的谐振频率；e 为电机的戎持电容；l 为匹配电感。实测得 该小柱体电机的夹持电容为0 2 n f ，当电机工作在频率f = - 3 0 k h z 时，则l = 0 1 4 1 h ， 取l = 0 1 5 h 。 翻3 - 2 , 0蟠媚r 田i 唾 电机等效电路及簿效变换豳3 - 2 1 换能器与电感串联电路匿 第3 章拄体越声波电机驱动控制电路靛掰究 不 通过实验，测得一些在电感一定时测得频率与电流大小的数据，如表3 1 所 袭3 1 电感一定时测得