小型化超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)
張華，曹祥紅
(1河南工業(yè)大學(xué)，河南鄭州450007；2鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南鄭州450002)
摘要：介紹了一種超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路，該電路采用單片機(jī)對可調(diào)壓控振蕩器分頻的方法獲得了超聲波電動(dòng)機(jī)工作所需的高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)，具有控制精度高、輸出穩(wěn)定、便于小型化等優(yōu)點(diǎn)，測試結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)控制器性能穩(wěn)定，足以滿足較高精度的定位控制要求。
關(guān)鍵詞：超聲波電動(dòng)機(jī)；小型化；驅(qū)動(dòng)控制器
0引 言
超聲波電動(dòng)機(jī)是一種全新概念的電機(jī)，它利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，使電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)能量，然后通過摩擦耦合作用使電機(jī)定子的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)能量輸出。超聲波電動(dòng)機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩、無電磁干擾、動(dòng)作響應(yīng)快、運(yùn)行無噪聲、無輸入自鎖等優(yōu)點(diǎn)，在非連續(xù)運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域、精密控制領(lǐng)域要比傳統(tǒng)電磁電機(jī)性能優(yōu)越。超聲波電動(dòng)機(jī)在工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車專用電器、精密儀器儀表、辦公自動(dòng)化設(shè)備、智能機(jī)器人等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，成為機(jī)電控制領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
超聲波電動(dòng)機(jī)是由高頻電壓驅(qū)動(dòng)的，要發(fā)揮超聲波電動(dòng)機(jī)出色的控制性能，離不開相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制器，因此超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研究越來越受到了國內(nèi)外學(xué)者的重視。目前超聲波電動(dòng)機(jī)常采用以下幾種控制方法：
(1)調(diào)壓控制是通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值來實(shí)現(xiàn)。
(2)調(diào)頻控制是通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率來實(shí)現(xiàn)。
(3)調(diào)相控制是通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位差來實(shí)現(xiàn)。
在驅(qū)動(dòng)控制方面國外已經(jīng)成功地運(yùn)用了模糊控制。自適應(yīng)控制。、滑�？刂啤５葟�(fù)雜的控制理論。國內(nèi)也有許多學(xué)者在超聲波電動(dòng)機(jī)的快速響應(yīng)和精確定位、模糊控制策略、遺傳算法的模糊自適應(yīng)控制等方面做了深入的探索。這些方法大都采用Pc機(jī)或DsP直接控制驅(qū)動(dòng)電路，可以達(dá)到較高的控制性能，但成本相對較高�？刂破鞯闹圃斐杀驹谝欢ǔ潭壬舷拗屏顺暡妱�(dòng)機(jī)在國內(nèi)的推廣應(yīng)用。
本文利用單片機(jī)代替Pc機(jī)或DsP，研制r小型化超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，通過單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行分頻控制，實(shí)現(xiàn)了所研制的柱體超聲波電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)定位控制，同時(shí)有效縮小了控制板面積并且降低了成本，有利于超聲波電動(dòng)機(jī)的推廣應(yīng)用。
l驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)
1 1驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)功能
超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率取決于定子的固有頻率。一般定子的固有頻率設(shè)計(jì)工作在超聲頻段，所以要求驅(qū)動(dòng)電路能夠產(chǎn)生高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)主要達(dá)到以下幾方面的要求：
(1)輸出電壓的頻率在29～34 kHz范圍內(nèi)可調(diào)；
(2)輸出兩相電壓的頻率一致，相差為90o；
(3)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開環(huán)正反轉(zhuǎn)控制；
(4)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開環(huán)正反轉(zhuǎn)步進(jìn)控制；
(5)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)正反轉(zhuǎn)定位控制；
(6)PcB板設(shè)計(jì)盡可能小。
根據(jù)以上定位控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)原理框圖，如圖1所示。各部分電路實(shí)現(xiàn)的功能分配如下：
調(diào)頻電路實(shí)現(xiàn)電路振蕩頻率的調(diào)整，從而在cPu控制下實(shí)現(xiàn)輸出控制脈沖的頻率調(diào)整，保證輸出電壓的頻率在29～34 kHz可調(diào)；小鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口，通過按鍵組合實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開環(huán)正反轉(zhuǎn)控制和起�？刂�；串行接口完成5V到RS232電平的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與主控計(jì)算機(jī)的通訊；光電編碼器將位置信號(hào)反饋給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的閉環(huán)定位控制；驅(qū)動(dòng)電路把cPu的TTL電平轉(zhuǎn)換為M0sFET的驅(qū)動(dòng)電平，驅(qū)動(dòng)功率管工作；AT89c205l作為驅(qū)動(dòng)控制器的核心，負(fù)責(zé)整體的協(xié)調(diào)與控制�？刂瓢宀捎昧速N片器件和雙面布線，使得PcB板面積盡可能小。
1．2逆變主回路
超聲波電動(dòng)機(jī)正常工作需要兩相相差為90o的高壓高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這樣才能有效地激勵(lì)起兩相壓電陶瓷的振動(dòng)，保證電機(jī)正常運(yùn)行。目前獲得高壓交變信號(hào)常用的方法主要有兩種：一是使用變壓器升壓，利用電力電子技術(shù)將直流電逆變?yōu)榻涣餍盘?hào)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是電路易于實(shí)現(xiàn)，成本相對較低；缺點(diǎn)是信號(hào)的諧波含量可能較大。二是直接對正弦信號(hào)進(jìn)行放大升壓得到所需要的高頻正弦激勵(lì)，優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形為正弦型，諧波含量非常低，但控制電路復(fù)雜、成本較高。常用的變壓器升壓開關(guān)逆變型基本驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。
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