皮文苑，鹿存躍，楊 明

(上海交通大學(xué)，上海 200240)

0 引 言

超聲波電動(dòng)機(jī)利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)及定轉(zhuǎn)子間的摩擦作用，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。超聲波電動(dòng)機(jī)特殊的工作機(jī)理使其與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，具備許多優(yōu)點(diǎn)，如:結(jié)構(gòu)緊湊、低速大力距、無(wú)電磁干擾、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等。超聲波電動(dòng)機(jī)已廣泛應(yīng)用在微型機(jī)械、精密儀器、航空航天、醫(yī)療器械等諸多領(lǐng)域［1］。

超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路一般由信號(hào)發(fā)生、功率放大、匹配電路等部分組成。信號(hào)發(fā)生是驅(qū)動(dòng)電路的核心部分，一般是用 MCU、DSP或壓控振蕩器(VCO)等數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。由于DSP偏重于算法，且價(jià)格較高，用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)性價(jià)比不高［2］。而采用壓控振蕩器產(chǎn)生信號(hào)，需外加分頻分相電路，且電參數(shù)調(diào)節(jié)不便，故壓控振蕩器也不是很合適［3］。與上述兩種相比，MCU不僅具有高運(yùn)算速度、能實(shí)現(xiàn)精確控制的優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格低廉，非常適合于用作驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)發(fā)生器。

本文以NuMicro M0516微控制器為核心，研制了一款超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，并詳細(xì)地介紹了系統(tǒng)硬件的組成和工作原理，同時(shí)給出了系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)思路。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本文研制的超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由M0516接收PC串口發(fā)送的頻率、相位差、占空比等控制信號(hào)，產(chǎn)生四路互差90°的同頻方波信號(hào)，經(jīng)光耦隔離電路、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、推挽逆變電路，得到兩路相差90°的高壓功率方波信號(hào)。此方波信號(hào)含有豐富的諧波成分，需通過(guò)匹配電感濾去高次諧波，得到驅(qū)動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)所需的兩路相差90°的高頻高壓正弦信號(hào)。下面分別介紹各部分電路的構(gòu)成及功能。

圖1 超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖

1.2 微控制器

控制部分是整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的核心。微控制器采用了NuMicro M0516，它是一款NUTOVON新推出的基于ARMCortex－M0核的32位單片機(jī)，其內(nèi)核可運(yùn)行至50 MHz，執(zhí)行速度快、存儲(chǔ)量大、功能強(qiáng)大且價(jià)格很低廉。

M0516利用其內(nèi)部集成的PWM發(fā)生器產(chǎn)生四路互差90°的同頻方波信號(hào)。每個(gè)PWM發(fā)生器包括兩個(gè)16位計(jì)數(shù)器、兩個(gè)16位比較器及一個(gè)可編程的死區(qū)發(fā)生器，可產(chǎn)生兩路帶死區(qū)的方波信號(hào)。其中計(jì)數(shù)器用于控制方波信號(hào)的頻率，比較器用于控制方波信號(hào)的占空比。此外該計(jì)數(shù)器和比較器都具有緩存功能，即在當(dāng)前周期的任意處改變計(jì)數(shù)器或比較器的初始值，該值在下一周期開始時(shí)才被更新。本文正是利用該緩存功能實(shí)現(xiàn)方波信號(hào)的相位差控制與調(diào)節(jié)。

M0516輸出的方波信號(hào)的頻率f、頻率分辨率If、占空比D、占空比分辨率ID及相位差分辨率Ip分別:

式中:fCLK為時(shí)鐘頻率，范圍為4～50 MHz;N為計(jì)數(shù)器初始值，考慮到中斷響應(yīng)時(shí)間，范圍為10～65535;M為比較器初始值，范圍為0～65535。因此M0516輸出的方波信號(hào)的頻率范圍為61 Hz～5 MHz，占空比范圍為0～100%，相位差范圍為0°～360°，且當(dāng)方波信號(hào)頻率為40 kHz時(shí)，頻率分辨率為32 Hz，占空比分辨率為0.08%，相位差分辨率為0.288°。

1.3 功率放大電路

為防止功率放大電路對(duì)控制部分的干擾，需在功率放大前進(jìn)行光耦隔離。功率放大電路可用推挽逆變、半橋逆變或全橋逆變實(shí)現(xiàn)。與半橋逆變、全橋逆變相比，推挽逆變電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所用器件少、通態(tài)損耗低的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于電源電壓較低的場(chǎng)合［4］。

圖2 推挽逆變電路

如圖2所示，推挽逆變電路由兩個(gè)開關(guān)管和變壓器組成，兩個(gè)開關(guān)管在互補(bǔ)方波信號(hào)的控制下周期性交替導(dǎo)通，在變壓器原邊產(chǎn)生相反的電流，在副邊感應(yīng)出交變的電壓信號(hào)。根據(jù)超聲波電動(dòng)機(jī)的功率和工作頻率，開關(guān)管選用MOS管IRF530。在圖2中，Y1、Y2為開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路輸出的兩路互補(bǔ)方波信號(hào);電阻R1和電容C1構(gòu)成吸收電路，用于防止變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓對(duì)開關(guān)管產(chǎn)生過(guò)壓沖擊。

1.4 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路

為保證開關(guān)管的快速導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供足夠大的充電電流，使柵源間電壓迅速上升到所需值且不產(chǎn)生震蕩。在導(dǎo)通期間，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能保證柵源間電壓保持穩(wěn)定，使開關(guān)管可靠導(dǎo)通［5］。

IR4427是一款MOSFET專用驅(qū)動(dòng)芯片，其輸出電壓為 6～20 V，輸出峰值電流為 1.5 A，可將M0516輸出的5 V方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成開關(guān)管IRF530所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在圖3中，X1、X2為光耦隔離輸出的兩路互補(bǔ)方波信號(hào);電阻R3、R4是為了防止電路中的寄生感抗和開關(guān)管結(jié)電容發(fā)生諧振，避免導(dǎo)致開關(guān)管柵極產(chǎn)生震蕩尖峰;電阻R5、R6是為了防止開關(guān)管的高輸入阻抗耦合噪聲信號(hào)給開關(guān)管，避免導(dǎo)致開關(guān)管異常開通;穩(wěn)壓管Z1、Z2是為了保證開關(guān)管柵源電壓的穩(wěn)定，且防止柵源電壓過(guò)高導(dǎo)致的開關(guān)管失效;二極管D1、D2是在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，為柵極電荷提供低阻抗放電回路，提高開關(guān)管的關(guān)斷速度。

圖3 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路

1.5 匹配電路

推挽逆變電路產(chǎn)生的兩路相差90°的功率方波信號(hào)，需經(jīng)過(guò)匹配電路，濾掉諧波成分，并減少無(wú)功損耗，才能較好地驅(qū)動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)。由于超聲波電動(dòng)機(jī)在諧振頻率附近工作時(shí)呈容性，一般采用串聯(lián)電感進(jìn)行匹配。串聯(lián)電感值計(jì)算如下:

式中:ω為電機(jī)諧振角頻率;R為定子機(jī)械損耗的等效電阻;C為電機(jī)夾持電容;L為匹配電感。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序流程如圖4所示。該程序主要實(shí)現(xiàn)兩部分功能，一部分是串口通訊，另一部分是產(chǎn)生四路互差90°的同頻方波信號(hào)。串口通訊是為了向M0516發(fā)送方波信號(hào)的頻率、相位差、占空比等控制信號(hào)，便于實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)壓。這里主要介紹四路互差90°的同頻方波信號(hào)的軟件實(shí)現(xiàn)。

圖4 主程序流程圖

1.2 節(jié)中已提到方波信號(hào)的頻率是由計(jì)數(shù)寄存器的值控制，方波信號(hào)的占空比是由比較寄存器的值控制。下面介紹方波信號(hào)的相位差實(shí)現(xiàn)。

如圖5所示，首先初始化PWM1的頻率為f1，PWM2的頻率為，即PWM2周期為PWM1周期的倍，然后使能PWM1、PWM2同時(shí)運(yùn)行，最后重新將PWM2的頻率設(shè)置為 f1。由于 1.2節(jié)中提到PWM計(jì)數(shù)器具有緩存功能，因此使能PWM1、PWM2同時(shí)運(yùn)行后，不會(huì)立即更新PWM2的計(jì)數(shù)器初始值，即不會(huì)立即改變PWM2的頻率，只當(dāng)PWM2的一個(gè)周期完成時(shí)，才會(huì)自動(dòng)改變PWM2的頻率，使其與 PWM1的頻率相同。因此PWM2相對(duì)于PWM1在相位上相差90°，頻率仍然相同。由上述分析可知，只要調(diào)整PWM2最初的頻率，便可產(chǎn)生不同的相位差。綜上所述，M0516可產(chǎn)生一定頻率、相位差及占空比的方波信號(hào)，且頻率、相位差及占空比可調(diào)。

圖5 兩路相差90°的方波信號(hào)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6(a)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物，該驅(qū)動(dòng)電路可產(chǎn)生兩路具有一定相位差的高頻高壓正弦信號(hào)，能較好地驅(qū)動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)，且能方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)壓。用此電路驅(qū)動(dòng)Φ60超聲波電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為40.8 kHz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:圖6(b)為四路互差90°的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，峰峰值為10 V;圖6(c)為不帶電機(jī)時(shí)驅(qū)動(dòng)電路輸出的兩路相差90°的方波信號(hào)，峰峰值約為180 V;圖6(d)為帶電機(jī)時(shí)驅(qū)動(dòng)電路輸出的兩路相差90°的正弦信號(hào)，其峰峰值約為370 V。

圖6 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款基于NuMicro M0516的超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，從硬件和軟件兩方面介紹了該系統(tǒng)，并進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。該驅(qū)動(dòng)電路采用M0516作為控制器，不僅能方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)壓，而且將信號(hào)發(fā)生、分頻分相、占空比、死區(qū)設(shè)置等功能都整合到M0516中，極大地提高了電路的穩(wěn)定性與可靠性，縮小了電路的體積。此外該驅(qū)動(dòng)電路成本低，通用性強(qiáng)，有利于市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化。

［1］胡敏強(qiáng)，金龍，顧菊平.超聲波電機(jī)原理與設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社，2005，1 －20.

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