曹勝華，金 龍

(1.國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京 210003;2.東南大學(xué)，江蘇南京 210096)

0 引 言

超聲波電動機(jī)是一種新型的直接驅(qū)動型微電機(jī)，其原理完全不同于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，它既沒有電磁繞組和磁路，也不是通過電磁的相互作用來傳遞能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)出定子彈性體的機(jī)械振動，此振動通過定轉(zhuǎn)子之間的接觸摩擦來傳遞能量。與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，超聲波電動機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩、不受磁場影響、同時本身也不產(chǎn)生磁場、慣性小、動作響應(yīng)快、控制特性好、無輸入自鎖、定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、噪聲小、可直接驅(qū)動負(fù)載等優(yōu)異特性［1－2］，是對傳統(tǒng)電磁電機(jī)的突破和有力補(bǔ)充。由于超聲波電動機(jī)可直接驅(qū)動負(fù)載，不使用齒輪變速，既簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，也避免了使用齒輪變速所帶來的噪聲、振動、間隙以及低效率、難控制等一系列問題。超聲波電動機(jī)作為執(zhí)行元件，在工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車專用電器、超高精度測量儀器、辦公自動化設(shè)備、智能機(jī)器人、醫(yī)療器械、高教器材、電動窗簾等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

超聲波電動機(jī)是基于高頻機(jī)械振動和摩擦驅(qū)動來工作的，工作過程十分復(fù)雜，電機(jī)的參數(shù)會隨著溫度和驅(qū)動條件的變化而變化，動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、參數(shù)時變的系統(tǒng)，精確數(shù)學(xué)模型難于建立，因此超聲波電動機(jī)的控制系統(tǒng)技術(shù)水平對電機(jī)的性能好壞影響很大。伴隨超聲波電動機(jī)控制技術(shù)研究的深入，超聲波電動機(jī)控制技術(shù)單靠應(yīng)用傳統(tǒng)PWM技術(shù)已經(jīng)滿足不了控制精度的要求，這里介紹一種基于高精度PWM技術(shù)的超聲波電動機(jī)控制技術(shù)，并給出UMC60型超聲波電動機(jī)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 控制原理

在各種超聲波電動機(jī)類型中環(huán)形行波型超聲波電動機(jī)的應(yīng)用是最廣泛的，在各種超聲波電動機(jī)控制特性中速度控制應(yīng)用也是最廣泛的。所以這里主要研究環(huán)形行波型超聲波電動機(jī)的速度控制技術(shù)。這里選擇UMC60型超聲波電動機(jī)為控制對象開展速度控制技術(shù)研究。

根據(jù)環(huán)形行波型超聲波電動機(jī)工作原理，需要高性能二相高壓驅(qū)動電源驅(qū)動來形成環(huán)形行波，因此電機(jī)速度控制技術(shù)有調(diào)頻調(diào)速、調(diào)幅調(diào)速和調(diào)相調(diào)速三種［3］。UMC60型超聲波電動機(jī)調(diào)速特性曲線如圖1～圖3所示。

在調(diào)頻調(diào)速、調(diào)幅調(diào)速和調(diào)相調(diào)速三種調(diào)速方法中，調(diào)相調(diào)速存在控制復(fù)雜、存在死區(qū)等諸多問題，調(diào)幅調(diào)速也存在調(diào)速范圍窄、存在死區(qū)等諸多問題，因此通常使用調(diào)頻調(diào)速作為主要調(diào)速方法。

為了控制超聲波電動機(jī)工作，控制系統(tǒng)需要產(chǎn)生高性能二相驅(qū)動電源，具體形成過程如下:(1)由DSP產(chǎn)生四路PWM波輸出;(2)經(jīng)過接口匹配電路電平變換后輸入IR2103驅(qū)動器;(3)IR2103驅(qū)動器輸出信號控制推挽式逆變電路(含場效應(yīng)管和變壓器)產(chǎn)生高性能二相驅(qū)動電源。如圖4所示。

圖4 超聲波電動機(jī)控制器驅(qū)動部分硬件框圖

通過上面分析知道，通過控制四路PWM波輸出可以達(dá)到控制高性能二相驅(qū)動電源的目的，但UMC60型超聲波電動機(jī)工作電壓頻率在40～44 kHz之間，工作調(diào)頻頻帶較窄，因此要進(jìn)行速度的精細(xì)控制還是有一定難度。

2 解決方案

根據(jù)UMC60型超聲波電動機(jī)工作條件要求，驅(qū)動電壓頻率在40～44 kHz之間。

2.1 傳統(tǒng)PWM控制技術(shù)解決方案

控制系統(tǒng)以TI公司32位DSP芯片TMS320F2812為核心［4］。TMS320F2812 是美國 TI公司推出的C2000平臺上的定點(diǎn)32位DSP芯片，適用于工業(yè)控制、電機(jī)控制等領(lǐng)域，用途廣泛。系統(tǒng)工作時鐘快達(dá)150 MHz，處理性能達(dá)150 MIPS，每條指令周期6.67 ns。具有出色的DSP控制性能，雙電源供電，具有SPI、SCI等通信接口，通過事件管理器管理PWM硬件。

TMS320F2812利用DSP的事件管理器，產(chǎn)生所需PWM波。具體過程如下:通過對定時器1相應(yīng)的寄存器正確設(shè)置，就能利用DSP內(nèi)在的PWM硬件產(chǎn)生電路按照正確的控制邏輯產(chǎn)生要求的PWM波。定時器1產(chǎn)生兩路PWM波HIN和LIN的原理如圖5所示。HO和LO為IR2103輸出的驅(qū)動場效應(yīng)管信號。通過調(diào)整定時器1的寄存器值可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功能。

圖5 PWM波產(chǎn)生示意圖

DSP系統(tǒng)工作時鐘頻率為 fSYSCLK，根據(jù)以上PWM波產(chǎn)生原理，為了保證波形對稱和相位90°不變，每增加或減少4個fSYSCLK才能變化一個工作頻率點(diǎn)。電機(jī)工作頻率最小fwmin，最大fwmax，控制系統(tǒng)總計N個工作頻率點(diǎn):

當(dāng) fSYSCLK=60 MHz，fwmin=40 kHz，fwmax=44 kHz，則 N=34。

當(dāng) fSYSCLK=100 MHz，fwmin=40 kHz，fwmax=44 kHz，則 N=58。

當(dāng) fSYSCLK=150 MHz，fwmin=40 kHz，fwmax=44 kHz，則 N=86。

通過提高系統(tǒng)工作時鐘頻率從60～100 MHz，增加工作頻率點(diǎn)ΔN=24。

通過提高系統(tǒng)工作時鐘頻率從60～150 MHz，增加工作頻率點(diǎn)ΔN=52。

隨著DSP系統(tǒng)工作時鐘頻率的提高，控制系統(tǒng)的工作頻率點(diǎn)增加，所以提高DSP系統(tǒng)工作時鐘頻率能提高速度的精細(xì)控制能力，但提高也是有限的，因?yàn)镈SP系統(tǒng)工作時鐘頻率不可能無限提高，如TMS320F2812系統(tǒng)工作時鐘頻率最高150 MHz，對應(yīng)工作頻率點(diǎn)只有86個［5］。

2.2 高精度PWM控制技術(shù)解決方案

控制系統(tǒng)以TI公司32位Piccolo系列DSP芯片TMS320F28035為核心。TMS320F28035具有很高的性價比，出色的DSP控制性能，單電源供電，小封裝，系統(tǒng)工作時鐘頻率適中(60MHz)，帶一個浮點(diǎn)運(yùn)算核，具有增強(qiáng)型eCAN、SPI、SCI等通信接口，具有增強(qiáng)型eQEP正交編碼接口、增強(qiáng)型ePWM接口、eCAP接口等控制接口，特別為提升電機(jī)控制應(yīng)用能力增加了HRPWM模塊，將電機(jī)控制常用的傳統(tǒng)PWM控制技術(shù)提升為高精度的PWM技術(shù)。

HRPWM模塊內(nèi)部包含有MEP控制部分，可將系統(tǒng)工作時鐘頻率fSYSCLK進(jìn)行細(xì)分，細(xì)分典型值為tMEPSTEP=0.15 ns，即1個 SYSCLK 最多能被 MEP STEP細(xì)分成8位二進(jìn)制數(shù)，這樣PWM可以控制這8位二進(jìn)制數(shù)值來提高PWM控制精度。如圖6所示。

圖6 MEP控制示意圖

先通過HRCNFG、HRPWR、HRMSTEP控制寄存器進(jìn)行HRPWM模塊基本設(shè)置，然后通過TBPHSHR、TBPRDHR、CMPAHR對相位、周期、比較等控制寄存器設(shè)置來完成高精度PWM產(chǎn)生。

式中:INT()為取整數(shù)計算。

通過采用高精度PWM控制技術(shù)，在同一工作條件下(fSYSCLK=60 MHz，fwmin=40 kHz，fwmax=44 kHz)，增加工作頻率點(diǎn)ΔN=3640。

即使不同工作條件下(fSYSCLK從150 MHz降低到 60 MHz，fwmin=40 kHz，fwmax=44 kHz)，增加工作頻率點(diǎn)ΔN=3588。

以上計算分析可以得出以下結(jié)論:

(1)采用高精度PWM控制技術(shù)，在同一系統(tǒng)工作時鐘頻率，能極大地提高超聲波電動機(jī)調(diào)頻調(diào)速控制精度;

(2)采用高精度PWM控制技術(shù)，比采用傳統(tǒng)PWM控制技術(shù)(通過提高系統(tǒng)工作時鐘頻率來提高超聲波電動機(jī)調(diào)頻調(diào)速控制精度方法)，能更有效地提高超聲波電動機(jī)調(diào)頻調(diào)速控制精度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證超聲波電動機(jī)調(diào)速控制效果，使用基于高精度PWM技術(shù)的超聲波電動機(jī)控制系統(tǒng)對UMC60型超聲波電動機(jī)進(jìn)行速度伺服控制。實(shí)驗(yàn)以電機(jī)轉(zhuǎn)速正弦軌跡跟蹤為具體控制目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線如圖7所示。圖中S1、CH1為電機(jī)的設(shè)定轉(zhuǎn)速曲線，S2、CH2為電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線，S3、CH3為轉(zhuǎn)速跟蹤誤差曲線。通過S1、CH1與S2、CH2的比較可以看出，無論是仿真結(jié)果還是實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，盡管存在跟蹤誤差，但電機(jī)轉(zhuǎn)速基本可以跟隨設(shè)定速度的變化。圖7(c)為電機(jī)跟蹤狀態(tài)進(jìn)入穩(wěn)定后的運(yùn)行情況，CH1為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線，CH2為轉(zhuǎn)速跟蹤誤差曲線。從圖7(c)可以看出電機(jī)的時變性會對運(yùn)行穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響持續(xù)存在。

4 結(jié) 語

通過計算分析，采用高精度PWM控制技術(shù)，即使在同一系統(tǒng)工作時鐘頻率，也能極大地提高超聲波電動機(jī)調(diào)頻調(diào)速控制精度;采用高精度PWM控制技術(shù)，比采用傳統(tǒng)PWM控制技術(shù)，能更有效地提高超聲波電動機(jī)調(diào)頻調(diào)速控制精度?；诟呔萈WM技術(shù)的超聲波電動機(jī)控制系統(tǒng)對UMC60型超聲波電動機(jī)進(jìn)行速度伺服控制實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果顯示高精度PWM控制技術(shù)是適合超聲波電動機(jī)速度控制的。驗(yàn)證了此控制技術(shù)的正確性和設(shè)計的有效性。該技術(shù)能滿足精細(xì)速度控制要求，易于工程應(yīng)用。

［1］胡敏強(qiáng)，金龍，顧菊平.超聲波電機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［2］趙淳生.超聲波電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［3］王心堅.行波超聲波電機(jī)伺服控制特性理論與實(shí)踐研究［D］.南京:東南大學(xué)，2008.

［4］蘇奎峰，呂強(qiáng)，耿慶鋒，等.TMS320F2812原理與開發(fā)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［5］曹勝華，金龍，陳溪，等.超聲波電機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究［C］//第十五屆微特電機(jī)技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展論壇論文集.西安，2009.