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基于ARM的行波超声波电机驱动控制系统研究与实验

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基于ARM的行波超声波电机驱动控制系统研究与实验基于ARM的行波超声波电机驱动控制系统研究与实验 基于ARM的行波超声波电机驱动控制系统 研究与实验 基于ARM的行波超声波电机驱动控制系统研容与塞殓一里!簦 中图分类号:TM359.9文献标志码:A文章编号:1001-6848(2008)05-0053-03 基于ARM的行波超声波电机驱动控制系统研究与实验 段小汇,莫岳平,张新星,夏睛 (扬州大学,扬州225009) 摘要:针对行波超声波电机的驱动特点和要求,研制出一种适合于行波型超声波 电机的PWM驱 动控制系统.系统以ARM微控制器S3C44BOX为核心...
基于ARM的行波超声波电机驱动控制系统研究与实验
基于ARM的行波超声波电机驱动控制系统研究与实验 基于ARM的行波超声波电机驱动控制系统 研究与实验 基于ARM的行波超声波电机驱动控制系统研容与塞殓一里!簦 中图分类号:TM359.9文献标志码:A文章编号:1001-6848(2008)05-0053-03 基于ARM的行波超声波电机驱动控制系统研究与实验 段小汇,莫岳平,张新星,夏睛 (扬州大学,扬州225009) 摘要:针对行波超声波电机的驱动特点和要求,研制出一种适合于行波型超声波 电机的PWM驱 动控制系统.系统以ARM微控制器S3C44BOX为核心,可采用变频,变相调速方 式对电机进行闭 环控制.实验结果明,PWM驱动控制系统产生的驱动信号能够稳定,可靠地驱 动电机工作. 关键词:ARM;超声波电机;脉宽调制;闭环控制;实验 StudyonPWMDriving-ControllingSystemofTravelingWaveType UltrasonicMotorBasedonARM DUANXiao—hui,MOYue—ping,ZHANGXin—xing,XIAQin (YangzhouUniversity,Yangzhou225009,China) Abstract:Aimedattheconsiderationofthedrivingcharacteristicandrequirementofthetra velingwave typeultrasonicmotor,aPWMdriving—controllingsystemispresentedbyusingthetechni queofpulse widthmodulation.Thissystemisbasedonmicro—controllerofARM,anditCanrealizemotor’sclosed— loopcontrolbyadjustingfrequencyandphase.Thetestedresultsindicatedthatthesignalfro mthissys— temcalldrivetheultrasonicmotorsteadilyandrehably. KeyWords:ARM;USM;PWM;Closed—loopcontrol;Experiment 0引言 超声波电机是一种区别于传统电磁型电机原 理的新型电机.因为它的滑动接触比较复杂,系 统呈高度非线性,是一个复杂的多变量,强耦合, 时变系统.传统方法难以精确地分析,而且随着 温度,输出转矩及定转子之间的静压力等变化, 压电陶瓷的谐振频率会发生漂移.因此,如何解 决超声波电机的驱动控制成为从事超声波电机研 究中的一个关键问题.纵观国内外对超声波电机 驱动控制的研究,其实现的方法大体分为两大类: 一 类是利用开关电源技术,由逆变来实现电压的 升压,能量传递,阻抗匹配和电源隔离.这种方 法目前在国内使用比较广泛_l剖;另一类是采用正 弦波信号直接放大输人超声波电机.这种方法目 前采用直接数字合成技术(DDS),以模拟放大电 路为基础来实现J.比较这两种方法,前一种在 硬件部分较为复杂,需要专用芯片和外围电路组 成波形发生模块,这样导致整个驱动控制系统的 功耗较大;后一种方法控制算法简单灵活,但成 本较高.根据行波型超声波电机自身工作需要, 收稿日期:2007-08-28 其驱动控制系统应满足下列条件J:(1)需输出 两相频率为超声波频率(20kHz以上),相位差 90.的交流电;(2)通过调节两相输出交流电的相 位差,使其中一相超前或滞后另一相90.,实现电 机的正,反转控制;(3)为满足电机调速要求,可 选择调频,调相等控制方式,且要求连续可调; (4)应采用带有反馈环节的闭环系统,以适应 因温度变化所造成的电机谐振点的漂移.本文针 对行波超声波电机的工作原理,采用脉宽调制 (PWM)技术,并以S3C44B0x系列ARM微控制器 作为核心,配合变压器耦合逆变驱动电路设计了 一 个嵌入式速度与定位控制器;利用超声波电机 本身的容性负载特性,对PWM方波信号滤波,得 到控制电机的正弦波信号.这个既能降低设 计成本,减少部分硬件电路的设计以降低功耗, 也保证了用于电机控制的复杂算法的实现. 1硬件电路设计 1.1设计方案 本控制系统的硬件部分结构如图1所示.系统中 S3C44BOX产生两相相位互差90.的PWM脉冲信号, 再经过逆变电路形成交流方波信号,在电机的容性滤 ? s3? 徽电机 波作用下形成驱动电机的两相相位相差90.的正弦交 流信号.而ARM则可以通过改变PWM波形的频率, 占空比和相位差来实现调速,通过改变两路PWM波 之间的超前滞后关系来实现电机的正反转控制,通过 设定对应寄存器的起停位来实现电机的起停控制.上 位机的人机界面则利用VC++编写,能够实现电机设 定值输入,电机状态反馈和电机特性曲线绘制等功 能.下面从软件和硬件两个方面介绍系统的实现. s 蟠翟 图1超声波电机驱动控制系统框图 1.2中央处理器 超声波电机驱动控制系统的核心是 $3C44B0X.$3C44B0X是一款基于ARM7TDMI核 的16/32位RISC的嵌入式微处理器,系统工作频 率可达66MHz,可以满足复杂算法的实现.它内 部集成了8KBCache,外部存储器控制器,LCD控 制器,4个DMA通道,2通道UART,1个IIC总 线控制器,一个IIS控制器,以及5通道PWM定 时器和一个内部定时器,71个通用输入输出口,8 个外部中断源,实时时钟,8通道1O位ADC等, 减少了系统的外围元件.内核ARM7TDMI的工作 电压仅为2.5V,有效地降低了系统功耗,而且 $3C44BOX支持片上调试,断点和观察点,方便了 系统软,硬件的调试. 1.3外围电路设计 1)功率驱动电路设计 功率放大驱动电路如图2所示.当三极管P1 的A1端逻辑电平为1,P2的B1端为0时,P1 导通,变压器的原边s1侧被短路,P2截止,原 边s2侧与副边构成变压器.由图可知,原边s2 侧与副边同名端在同侧,此时副边电压呈正向. 反之,当三极管P1的逻辑电平为0,P2的B1端 为1时,P1截止,变压器的原边s2侧被短路, P2导通,原边s1侧与副边构成变压器.由图可 知,原边s1侧与副边同名端在异侧,此时副边 电压呈反向. 2)交流方波信号的产生 IR2103是美国IR公司生产的用于大功率 MOSFET和IGBT的驱动集成电路.它的最大偏置 电压达600V,输出电压在1OV一20V之间.HIN 和LIN分别是逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动 信号输入端.HO和LO则对应输出端.它们的逻 辑关系如表1所示. ? 54? 码器 电机等效 容性负载 图2超声波电机驱动部分电路图 表1IR2103的输入输出逻辑关系 引脚 HIN UN H0 L0 逻辑电平 11 10 10 00 由表1可知,当A,B两端分别施加相同的脉 冲信号时,变压器输出波形如图3. 单相PWM HIN广_]r_]r.] uN广_]r_]r.] 1/12103输出 ]厂一 厂]厂 变压器输出 图3交流方波形成不意图 由图3可知,此时变压器输出的波形经容性滤波 可以得到类似正弦波,而另一相波形与该相波形相位 上相差90.,通过调节脉冲信号的频率可以实现变频 控制,也可改变脉冲的占空比来实现速度控制.在由 负脉冲向正脉冲跳变的过程中,为了防止三极管同时 导通的晴况发生,可通过软件产生死区的方法实现. 2软件 2.1程序主流程图 主程序流程如图6所示.主程序主要实现各子 基于ARM的行波超声波电机驱动控制系统研窥复塞一星尘!箜 任务之间的调度.本系统所需实现的任务: (1)通讯任务:通过以太网接口与上位机通讯, 接收上位机发送的速度,位置及控制信号,向上位 机反馈速度,位置信号,让上位机实时显示. (2)测速任务:测试电机的瞬态速度. (3)控制信号发送任务:整个系统有频率,占 空比,相位3种控制信号,均可通过以太网接口由 上位机传送给ARM. (4)控制算法任务:通过算法实现频率跟踪, 解决电机速度的温漂现象. 2.2两相相位差90.的PWM波形软件实现 这部分用软件产生,一方面可以简化外围硬 件电路的设计,从而降低电路功耗;另一方面, 相对于采用环形计数器实现的方法,它能够灵活 地改变信号的相位,方便在某些场合的变相调速 控制.两相相位差90.的PWM波形通过ARM的 PWM模块产生.S3C44BOX具有6个16位定时器, 每个定时器可以按照中断模式或DMA模式工作. 定时器0,1,2,3,4具有PWM功能.定时器5 是一个内部定时器,不具有对外输出口线.定时 器0具有死区发生器.两相脉冲差是通过定时中断 实现的.通过对定时器控制寄存器的启动停止位置 复位,实现电机的起停控制.通过对输出反转开/关 位的置位复位可以改变两相脉冲波的相序,从而实 一n -J.一?-? f.I…?1n--1 1?_?-?一:-?一..1 图8两相相位差90.输出 的PWM波形 现电机的正反转控制.而对定时器计数器TCNT和 比较寄存器TCMP写人适当的值则可以预置PWM波 的频率和占空比.程序流程如图7所示. 开始 lPWM2,3寄存器及定 I时器1中断初始化 巽鬓 tPWM2~Il启动PwM3 器1中断I时器1中二[=二]= ?1中断服ll定时器1中断 a~PWM3]l羞主旦 L+< l关f~PWMIl 定时器使能l 图6主程序流程图图7PWM产生程序流程图 3实验结果 测试曲线如图8,图9和图10所示.可知,不 带电机时系统输出的两相信号具有很强的谐波成分. 接通电机后,由于电机的容性滤波作用,使得输出 波形近似正弦波.实验证明电机能够很好地工作. 图中的正弦波不能看到波峰,这是因为所采用的示 波器电压显示范围限制.电机的驱动信号电压峰一 峰高达500V,超出了显示范围.实际波峰是存在 的,可通过调节波形的上下位置看到. CH15.00VCH2500VMIO.0sCH1,一29.4V CuffentFoidetisA 图9不带电机时驱动系统的脉 冲信号输出的两相波形 4结语参考文献 本系统针对超声波电机的容性负载特性,采 用PWM技术实现电机的驱动与控制;且用软件的 方法实现,降低了硬件电路的功耗,缩短了系统 开发时间.经多次实验验证,系统性能稳定,可 靠,完全适合于行波型超声波电机的驱动要求. 本文所设计的系统只对用ARM实现对超声波电机 ,对于如何利用反馈数据对 的驱动控制进行研究 电机进行闭环控制还需进一步研究. 图10带电机时驱动系统输出 的两相波形 [1]陈维山,张磊.超声波电机新型驱动电路的研究与设计[J]. 传动技术,2006,(1O):30-32. [2]金龙,朱美玲,赵淳生.旋转型压电行波超声马达的驱动与 控制技术[J].振动,测试与诊断,1997,17(3):282-321. [3]姜楠,林云生,刘俊标,等.基于DDS的超声电机驱动电源 的研究[J].电子器件,2007(1). [4]胡敏强,金龙,顾菊平.超声波电机原理与设计[M].北 京:科学出版社,2005. 作者简介:段小汇,研究生,从事超声波电机技术研究. ? 55?
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