基于ARM的行波超声波电机驱动控制系统研究与实验.pdf

基于A R M的 行波 超声波电机驱动 控制系 统研容与 塞殓一 里 簦 中图分类号 T M3 5 9 9 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 6 8 4 8 2 0 0 8 0 5 0 0 5 3 0 3 基于 A R M 的行波超声波 电机驱动控制 系统研究与实验 段 小汇 莫岳平 张新星 夏睛 扬州大学 扬州2 2 5 0 0 9 摘要 针对行波超声波电机的驱动特点和要求 研制出一种适合于行波型超声波电机的P WM驱 动控制系统 系统以 A R M微控制器 S 3 C 4 4 B O X为核心 可采用变频 变相调速方式对 电机进行闭 环控制 实验结果表明 P W M 驱动控制系统产生的驱动信号能够稳定 可靠地驱动电机工作 关键词 A R M 超声波电机 脉宽调制 闭环控制 实验 St ud y on PW M Dr i v i ng Co nt r o l l i ng Sy s t e m o f Tr a v e l i ng W av e Ty p e Ul t r a s o n i c M ot o r Ba s e d on ARM D U A N X i a o h u i MO Y u e p i n g Z H AN G X i n x i n g X I A Q i n Y a n g z h o u U n i v e r s i t y Y a n g z h o u 2 2 5 0 0 9 C h i n a Ab s t r a c t Ai me d a t t h e c o ns i d e r a ti o n o f t h e driv i n g c ha r a c t e ris t i c a n d r e q u i r e me n t o f t h e t r a v e l i n g wa v e t y p e u l t r a s o n i c mo t o r a PW M d riv i n g c o n t r o l l i n g s y s t e m i s p r e s e n t e d b y us i n g t h e t e c hn i q u e o f p u l s e wi d t h mo d u l a t i o n Th i s s y s t e m i s ba s e d o n mi c r o c o n tro l l e r o f ARM a n d i t C an r e a l i z e mo t o r s c l o s e d l o o p c o n tr o l b y a d j u s ti n g f r e q u e n c y a n d p h a s e Th e t e s t e d r e s u l t s i n d i c a t e d tha t the s i g n al f r o m th i s s y s t e m c a l l d riv e t h e ul t r a s o n i c mo t o r s t e a d i l y a n d r e ha b l y Ke y W o r d s ARM USM PW M Cl o s e d l o o p c o n t r o l Ex pe rime n t 0 引 言 超声波电机是一 种区别于传统 电磁型 电机原 理的新型电机 因为 它的滑动接 触 比较 复杂 系 统呈高度非线性 是一个 复杂的多变量 强耦合 时变系统 传统 方法难 以精确地 分析 而且随着 温度 输出转 矩及 定转 子 之 间的静 压力 等 变化 压电陶瓷的谐振 频率会 发生漂移 因此 如何解 决超声波电机 的驱 动控制 成为从 事超声 波 电机研 究中的一个关键 问题 纵观 国 内外对超声 波 电机 驱动控制的研究 其实现的方法大体分为两大类 一 类是利用 开关 电源技术 由逆变来 实现电压 的 升压 能量传 递 阻抗 匹配和 电源 隔离 这种方 法 目前在国内使用 比较广泛 l 剖 另一类是采用正 弦波信号直接放大输人 超声波 电机 这种方法 目 前采用直接数字合成技 术 D D S 以模拟放大 电 路为基础来实 现 J 比较这两种 方法 前 一种在 硬件部分较为复杂 需 要专用芯 片和外 围电路组 成波形发 生模块 这样 导致整个驱 动控制系统 的 功耗较大 后一种方法控制算法简单灵活 但成 本较高 根据 行波 型超 声 波 电机 自身工 作需 要 收稿 日期 2 0 0 7 0 8 2 8 其驱动控制系统应满 足下列条件 J 1 需输 出 两相频率 为超声 波频 率 2 0 k H z以上 相位差 9 0 的交流电 2 通过调节两相输 出交流 电的相 位差 使其中一相超前或滞后另一相 9 0 实现电 机的正 反转控制 3 为满足 电机调速要求 可 选择 调频 调 相等控 制方 式 且要 求连 续 可调 4 应采用带有反馈检测环节的闭环系统 以适应 因温度变化所造成 的电机谐振点 的漂 移 本文针 对行波超 声 波 电机 的 工作 原 理 采 用 脉 宽调 制 P WM 技术 并 以 S 3 C 4 4 B 0 x系列 A R M微控制器 作为核心 配合 变压器耦合 逆变驱动 电路设 计 了 一 个嵌入式速 度与定位控制 器 利用 超声 波电机 本身的容性负载特性 对 P WM方波信号滤波 得 到控制电机 的正 弦波信号 这个 方案 既能降低设 计成本 减少部分硬件电路的设计以降低功耗 也保证 了用于电机控制的复杂算法的实现 1 硬件 电路设计 1 1 设计方案 本控制系统的硬件部分结构如图 1 所示 系统中 S 3 C 4 4 B O X产生两相相位互差 9 0 的 P WM脉冲信号 再经过逆变电路形成交流方波信号 在电机的容性滤 s 3 维普资讯 徽 电机 波作用下形成驱动电机的两相相位相差 9 0 的正弦交 流信号 而A R M则可以通过改变 P WM波形的频率 占空比和相位差来实现调速 通过改变两路 P WM波 之间的超前滞后关系来实现电机的正反转控制 通过 设定对应寄存器的起停位来实现电机的起停控制 上 位机的人机界面则利用 V C 编写 能够实现电机设 定值输入 电机状态反馈和电机特性曲线绘制等功 能 下面从软件和硬件两个方面介绍系统的实现 s 蟠翟 图 1 超声波电机驱动控制系统框图 1 2中央处理器 超 声 波 电 机 驱 动 控 制 系 统 的 核 心 是 3 C 4 4 B 0 X 3 C 4 4 B 0 X是 一款基 于 A R M 7 T D MI核 的 1 6 3 2位 R I S C的嵌入式微处理器 系统工作频 率可达6 6 M Hz 可 以满足复杂算法 的实 现 它 内 部集成了 8 K B C a c h e 外部存储器控制器 L C D控 制器 4个 D MA通道 2通道 U A R T 1个 I I C总 线控制器 一个 I I S控制器 以及 5通道 P WM定 时器和一个 内部定时器 7 1个通用输入输 出口 8 个外部 中断源 实 时时钟 8通 道 1 O位 A D C等 减少了系统的外 围元件 内核 A R M 7 T D M I的工作 电压仅为 2 5 V 有效 地降低 了系统功耗 而且 3 C 4 4 B O X支持片上调试 断点和观察点 方便 了 系统软 硬件的调试 1 3 外 围电路设计 1 功率驱动电路设计 功率放大驱动 电路如 图 2所示 当三极管 P 1 的 A1 端逻 辑 电平 为 1 P 2的 B 1端为 0时 P 1 导通 变压器 的原 边 s 1侧被短路 P 2截止 原 边 s 2侧与副边构成 变压器 由图可 知 原 边 s 2 侧与 副边 同名端 在 同侧 此 时副边 电压呈 正 向 反之 当三极管 P 1的逻辑 电平为 0 P 2的 B 1端 为 1时 P 1截 止 变 压器 的原边 s 2侧 被 短 路 P 2导通 原边 s 1 侧与副边构成变压器 由图可 知 原边 s 1 侧与副边同名端在异侧 此时副边 电压呈反 向 2 交流方波信号 的产生 I R 2 1 0 3是 美 国 I R 公 司生 产 的 用 于 大 功 率 MO S F E T和 I G B T的驱动集成 电路 它的最大偏 置 电压达 6 0 0 V 输 出电压在 1 O V一 2 0 V之间 H I N 和 L I N分别是逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动 信号输入端 H O和 L O则对应输 出端 它们 的逻 辑关系如表 1所示 5 4 码器 电机等效 容性负载 图2 超声波电机驱动部分电路图 表 1 I R 2 1 0 3的输入输出逻辑关系 引脚 HI N U N H0 L 0 逻辑电平 1 1 1 0 1 0 0 0 由表 1可知 当 A B两端分别施加相同的脉 冲信号时 变压器输 出波形如 图3 单相P WM H I N 广 r r u N 广 r r 1 1 2 1 0 3 输出 厂 厂 厂一 变压 器输出 图 3 交流方波形成不意 图 由图3可知 此时变压器输出的波形经容性滤波 可以得到类似正弦波 而另一相波形与该相波形相位 上相差9 0 通过调节脉冲信号的频率可以实现变频 控制 也可改变脉冲的占空比来实现速度控制 在由 负脉冲向正脉冲跳变的过程中 为了防止三极管同时 导通的晴况发生 可通过软件产生死区的方法实现 2 软件流程 2 1程序主 流程 图 主程序流程如图6所示 主程序主要实现各子 维普资讯 基于A R M的 行波超声波电 机驱动控制系统研窥复塞 一星尘 箜 任务之间的调度 本系统所需实现的任务 1 通讯任务 通过以太网接 口与上位机通讯 接收上位机发送的速度 位置及控制信号 向上位 机反馈速度 位置信号 让上位机实时显示 2 测速任务 测试电机的瞬态速度 3 控制信号发送任务 整个系统有频率 占 空比 相位 3 种控制信号 均可通过以太网接口由 上位机传送给 A R M 4 控制算法任务 通过算法 实现频率跟踪 解决电机速度的温漂现象 2 2 两相相位差 9 0 的 P WM波形软件实现 这部分用 软件产生 一方面可 以简化外 围硬 件电路的设计 从而降低电路功耗 另一方面 相对于采用环形计数 器实现 的方 法 它能够灵 活 地改变信号 的相位 方便在某 些场合 的变 相调速 控制 两相相位 差 9 0 的 P WM 波形通过 A R M 的 P WM模块产生 S 3 C 4 4 B O X具有 6个 1 6位定时器 每个定时器可以按照 中断模式 或 D MA模式工 作 定时器 0 1 2 3 4具有 P WM功能 定 时器 5 是一个 内部定 时器 不具有对 外输 出 口线 定 时 器 0具有死区发生器 两相脉冲差是通过定时中断 实现的 通过对定时器控制寄存器的启 动停止位置 复位 实现电机的起停控制 通过对输 出反转开 关 位的置位复位可以改变两相脉冲波的相序 从而实 一 n J 一 f I 1 n 1 1 一 一 1 图8 两相相位差9 0 输 出 的P WM波形 现电机的正反转控制 而对定时器计数器 T C N T和 比较寄存器 T C M P写人适当的值则可以预置P W M波 的频率和占空比 程序流程如图7所示 开始 l P WM 2 3 寄存器及定 I 时 器 1 中 断 初 始 化 巽 鬓 t P W M 2 I l 启动P w M 3 器 1 中 断I 时 器1 中 二 二 1 中断服l l定时器1 中断 a P W M 3 l 羞 主 旦 L l 关f P WM I l 定时器使能 l 图6 主程序流程图 图7 P WM产生程序流程图 3 实验结果 测试 曲线如图 8 图 9和图 1 0所示 可知 不 带电机时系统输出的两相信号具有很强的谐波成分 接通电机后 由于电机的容性滤波作用 使得输出 波形近似正 弦波 实验证明电机能够很好地工作 图中的正弦波不能看到波峰 这是 因为所采用 的示 波器电压显示范围限制 电机的驱动信号电压峰 一 峰高达 5 0 0 V 超 出了显示范 围 实际波峰是存在 的 可通过调节波形的上下位置看到 C H1 5 0 0 V CH2 5 0 0 V MI O 0 s CH1 一 2 9 4 V C uff e n t F o i d e ti sA 图9 不带 电机时驱动系统的脉 冲信号输出的两相波形 4结语 参考文献 本系统 针对 超声波 电机 的容性 负载特性 采 用 P WM技术实现电机 的驱动与控制 且用软件 的 方法实现 降低 了硬件 电路的功耗 缩短了系统 开发 时间 经多次实验 验证 系统性能稳 定 可 靠 完全适合 于行 波 型超声 波 电机 的驱 动 要求 本文所设计的系统 只对用 A R M实现对超声 波电机 的驱动控制进行研究 对于如何利用反馈数据对 电机进行闭环控制还需进一步研究 图1 0 带电机时驱动系统输