行波超聲電動(dòng)機驅動(dòng)控制系統設計

摘要：提出基于8254的行波超聲電動(dòng)機驅動(dòng)計算機控制系統。控制系統電路簡(jiǎn)單，對二個(gè)相差90°的方波驅動(dòng)信號控制相當方便。實(shí)驗結果表明：系統不僅可實(shí)現頻率和相位控制，并具有角度控制精確和克服溫度漂移頻率自動(dòng)跟蹤性能。

關(guān)鍵詞：超聲電動(dòng)機；同步信號；計算機控制系統

超聲電動(dòng)機是近年來(lái)出現的一種集電機、精密機械、電子技術(shù)、計算機技術(shù)和功能材料等于一體的新型高科技產(chǎn)品。它以無(wú)噪聲、大轉矩、響應速度快、不受磁場(chǎng)影響、控制性能好等特點(diǎn)，不僅可用于工業(yè)設備、儀器儀表、計算機外設、辦公自動(dòng)化和家用電器上，而且可用于機器人、汽車(chē)、生物醫學(xué)工程、航空學(xué)工程、航空航天和軍事設備上。因此，超聲電動(dòng)機被譽(yù)為新世紀的“綠色電動(dòng)機”^[1]。

由于超聲電動(dòng)機是利用摩擦傳動(dòng)的，定子和轉子之間的滑差率不能完全確定，其諧振頻率會(huì )隨著(zhù)溫度而變化，因此，實(shí)際應用時(shí)需要對位置、速度和力矩進(jìn)行控制。另外，超聲電動(dòng)機驅動(dòng)電路是在高頻、高壓條件下驅動(dòng)的容性負載，故效率比較低，致使超聲電動(dòng)機的工作頻率比較低。定子諧振頻率非常敏感于負載、環(huán)境條件，以及定子和轉子之間的摩擦特性。因此，驅動(dòng)控制系統中必須有自動(dòng)跟蹤諧振頻率變化電路，以保持驅動(dòng)頻率總處于最佳的范圍^[2]。本文提出基于計算機常用8254芯片的行波超聲電動(dòng)機的驅動(dòng)控制方法，將變頻、變相控制方案有機地結合在一起，通過(guò)計算機實(shí)時(shí)控制，實(shí)現了行波超聲電動(dòng)機的精確角度控制和運行速度控制。

1 計算機控制系統組成及其原理

行波超聲電動(dòng)機要求輸入二相交流電以產(chǎn)生定子環(huán)內部的行波運動(dòng)，由于行波超聲電動(dòng)機的一相等效電路為容性電路，故可將方波信號中的高次諧波濾掉而形成正弦波。因此，要求所構成的系統能夠產(chǎn)生二相電壓有效值相等、頻率相同的方波信號以驅動(dòng)行波超聲電動(dòng)機，控制系統如圖1所示。

圖1 驅動(dòng)控制系統框圖

根據二路方波信號相位差與定子環(huán)表面質(zhì)點(diǎn)運動(dòng)軌跡的關(guān)系可以確定，如果二路信號相位差90°（電角度）時(shí)，電動(dòng)機處于最佳工作狀態(tài)。通過(guò)改變相位差，可對位置、速度和力矩進(jìn)行控制；為了防止諧振頻率隨環(huán)境溫度的變化而發(fā)生漂移，可通過(guò)對輸出方波信號頻率進(jìn)行控制，達到抑制諧振頻率的漂移^[3]。

方波發(fā)生器在單片機控制下，可產(chǎn)生兩路相同頻率、一定相位差的方波信號，作為驅動(dòng)電路的輸入控制信號；同步電路根據變頻、調相的時(shí)序要求，單片機按序啟動(dòng)方波發(fā)生器，使兩路信號具有一定的相位差；頻率、相位差選擇電路作為系統與操作者的人機接口；驅動(dòng)部分為一推挽式逆變電源，提供超聲電動(dòng)機所需的驅動(dòng)電流；單片機可對反饋頻率檢測，使驅動(dòng)信號頻率保持與壓電振子固有頻率一致。

2 方波發(fā)生器設計

8254是一種常用的可編程定時(shí)/計數器，具有三個(gè)獨立的16位計數器，每個(gè)計數器有六種工作方式，其計數速度可達10MHz^[4]。系統硬件電路的原理如圖2所示。硬件電路是以8254產(chǎn)生二路方波信號及二路方波信號相位差的控制信號。計數器0和計數器1工作于方式3，即方波頻率發(fā)生器方式。以產(chǎn)生二路同頻率方波信號，并通過(guò)改變計數器數值實(shí)現變頻控制。計數器2工作于0方式，即終止計數中斷方式，用來(lái)控制計數器1允許與停止計數，使其滯后于計數器0數個(gè)時(shí)鐘脈沖才開(kāi)始計數，以便獲得具有一定相位差的二路方波信號，且通過(guò)改變計數器2的計數值實(shí)現二路方波信號相位差的控制。工作于最小模式時(shí)，8254的WR由微機WR和IOWC通過(guò)或門(mén)產(chǎn)生；工作于最大模式時(shí)，8254的WR與IOWC連接。

圖2 方波發(fā)生器硬件框圖