基于LPC2124的超聲波電機驅動(dòng)控制系統

摘要：針對行波型超聲波電機的驅動(dòng)控制特性，為方便電機調試，實(shí)現電機的轉速或位置信號檢測，檢測電機首次啟動(dòng)時(shí)的環(huán)境溫度，設計了一款基于LPC2124的驅動(dòng)控制系統。采用傳統的推挽電路實(shí)現功率放大，串聯(lián)電感進(jìn)行諧振匹配。運用LPC2124內置的脈寬調制器和A／D轉換器，外加微調電阻，可實(shí)時(shí)調節PWM頻率，從而方便電機的調試?；魻杺鞲衅鰽TS642LSH結合固定在電機轉子上的環(huán)形齒輪，檢測電機轉速或位置。采用LM75溫度傳感器，檢測環(huán)境溫度，給電機的首次啟動(dòng)提供一個(gè)參考溫度。試驗表明，系統能順利檢測環(huán)境溫度，能穩定、可靠地驅動(dòng)電機工作，同時(shí)檢測電機的轉速或位置信號。
關(guān)鍵詞：超聲波電機；驅動(dòng)控制；PWM；ARM

超聲波電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應獲得旋轉力矩的新型電機，具有體積小、結構緊湊、功率密度大、無(wú)電磁干擾、低速大轉矩、響應快、自鎖能力強等特點(diǎn)。由于超聲波電機在結構原理、運行特性與傳統電磁原理電機有著(zhù)本質(zhì)的差異，決定了其驅動(dòng)控制技術(shù)與傳統的電機也有很大的不同，這也使得超聲波電機的驅動(dòng)控制技術(shù)的優(yōu)劣成為影響超聲波電機性能的關(guān)鍵因素之一。根據行波型超聲波電機的結構特點(diǎn)和運動(dòng)機理，其驅動(dòng)、控制電路系統的設計應滿(mǎn)足如下要求：1)提供兩相超聲頻段內(一般為20～100 kHz)具體一定幅值(峰-峰值150～1 000 V)的正交的正弦驅動(dòng)電壓；2)超聲波電機具有容性負載特性，需要設計匹配電路，以實(shí)現功率匹配、濾波和諧振升壓的功能；3)應具有調頻、調壓、調相等方法中的一種方式或混合方式進(jìn)行調速控制；4)應具有閉環(huán)控制功能，以適應隨工作過(guò)程中電機溫度的升高而引起的電機諧振頻率的漂移。本文介紹了一款基于LPC2124的超聲波電機驅動(dòng)控制系統，該系統使電機的調試工作更加方便快捷，可實(shí)現較復雜算法。

1 系統電路設計
1．1 系統方案
本驅動(dòng)控制系統的電路框圖如圖1所示。

系統中LPC2124產(chǎn)生兩路相位差為90°方波，兩路方波經(jīng)或非門(mén)后與原來(lái)的兩路方波組成四路方波。四路方波經(jīng)隔離驅動(dòng)、直流逆變、諧振匹配后，就得到超聲波電機工作所需的正弦交流信號。微調電阻主要用于電機調試時(shí)，調節輸出PWM信號的頻率，這可以縮短電機調試所消耗的時(shí)間。溫度傳感器用于檢測電機所處的環(huán)境溫度，這樣，在對電機首次啟動(dòng)要求高的情況下，系統可以根據不同環(huán)境溫度給電機提供不同的啟動(dòng)頻率，有利于提高電機啟動(dòng)的穩定性。電機轉子上的凹或凸齒對著(zhù)霍爾傳感器時(shí)，霍爾傳感器輸出的電流大小不一樣。經(jīng)過(guò)電路處理后，將電流變化轉換成方波信號，利用方波信號實(shí)現電機轉速、位置的檢測。為了方便電路系統的調試和程序的下載，系統設置了JTAG和UART口。其中JTAG主要用于調試工作，當然也可以用于程序下載。而UART口則既可以將各種數據發(fā)送到電腦主機，又可用于程序的下載和Fl-ash的擦除。
1．2 控制芯片
超聲波電機驅動(dòng)控制系統的控制芯片是LPC2114，其內核為ARM7TDMI。LPC2124處理器是ARM通用32位微處理器家族的成員之一。LPC2124采用LQFP64封裝，CPU操作電壓1．8V，內部集成256 kB片內Flash程序存儲區、16 kB靜態(tài)RAM，擁有4路10位ADC、2個(gè)32位定時(shí)器、6路PWM輸出、兩個(gè)低功耗模式、46個(gè)GPIO及9個(gè)外部中斷等。另外內置倍頻鎖相環(huán)(PLL)，可實(shí)現最大為60 MHz的CPU操作率。同時(shí)LPC2124支持片上調試、斷點(diǎn)，方便系統軟、硬件的調試。
1．3 關(guān)鍵電路
1．3．1 隔離驅動(dòng)、推挽、諧振匹配電路
隔離驅動(dòng)、推挽、諧振匹配電路如圖2所示。

LPC2124產(chǎn)生兩路相位差為90°方波PWM—S和PWM—C，兩路方波分別經(jīng)74HC02D或非門(mén)后形成兩路相應的反相方波，與原來(lái)的兩路方波組成相位依次相差90°四路方波。四路方波經(jīng)MAX4427隔離驅動(dòng)放大后，利用4個(gè)MOS管(IRFR320)與兩個(gè)中間抽頭的變壓器組成的推挽電路，將四路方波信號轉換成兩路相位差為90°的交流方波信號。由于超聲波電機工作需要的是正弦交流信號，且超聲波電機屬容性負載，所以用串聯(lián)電感的方式進(jìn)行諧振匹配。