基于LPC2124的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

摘要：針對(duì)行波型超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制特性，為方便電機(jī)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或位置信號(hào)檢測，檢測電機(jī)首次啟動(dòng)時(shí)的環(huán)境溫度，設(shè)計(jì)了一款基于LPC2124的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。采用傳統(tǒng)的推挽電路實(shí)現(xiàn)功率放大，串聯(lián)電感進(jìn)行諧振匹配。運(yùn)用LPC2124內(nèi)置的脈寬調(diào)制器和A／D轉(zhuǎn)換器，外加微調(diào)電阻，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PWM頻率，從而方便電機(jī)的調(diào)試?；魻杺鞲衅鰽TS642LSH結(jié)合固定在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的環(huán)形齒輪，檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速或位置。采用LM75溫度傳感器，檢測環(huán)境溫度，給電機(jī)的首次啟動(dòng)提供一個(gè)參考溫度。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)能順利檢測環(huán)境溫度，能穩(wěn)定、可靠地驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，同時(shí)檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速或位置信號(hào)。
關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī)；驅(qū)動(dòng)控制；PWM；ARM

超聲波電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)獲得旋轉(zhuǎn)力矩的新型電機(jī)，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大、無電磁干擾、低速大轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)快、自鎖能力強(qiáng)等特點(diǎn)。由于超聲波電機(jī)在結(jié)構(gòu)原理、運(yùn)行特性與傳統(tǒng)電磁原理電機(jī)有著本質(zhì)的差異，決定了其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)與傳統(tǒng)的電機(jī)也有很大的不同，這也使得超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的優(yōu)劣成為影響超聲波電機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)行波型超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，其驅(qū)動(dòng)、控制電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下要求：1)提供兩相超聲頻段內(nèi)(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(qū)動(dòng)電壓；2)超聲波電機(jī)具有容性負(fù)載特性，需要設(shè)計(jì)匹配電路，以實(shí)現(xiàn)功率匹配、濾波和諧振升壓的功能；3)應(yīng)具有調(diào)頻、調(diào)壓、調(diào)相等方法中的一種方式或混合方式進(jìn)行調(diào)速控制；4)應(yīng)具有閉環(huán)控制功能，以適應(yīng)隨工作過程中電機(jī)溫度的升高而引起的電機(jī)諧振頻率的漂移。本文介紹了一款基于LPC2124的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使電機(jī)的調(diào)試工作更加方便快捷，可實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜算法。

1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)方案
本驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示。

系統(tǒng)中LPC2124產(chǎn)生兩路相位差為90°方波，兩路方波經(jīng)或非門后與原來的兩路方波組成四路方波。四路方波經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)、直流逆變、諧振匹配后，就得到超聲波電機(jī)工作所需的正弦交流信號(hào)。微調(diào)電阻主要用于電機(jī)調(diào)試時(shí)，調(diào)節(jié)輸出PWM信號(hào)的頻率，這可以縮短電機(jī)調(diào)試所消耗的時(shí)間。溫度傳感器用于檢測電機(jī)所處的環(huán)境溫度，這樣，在對(duì)電機(jī)首次啟動(dòng)要求高的情況下，系統(tǒng)可以根據(jù)不同環(huán)境溫度給電機(jī)提供不同的啟動(dòng)頻率，有利于提高電機(jī)啟動(dòng)的穩(wěn)定性。電機(jī)轉(zhuǎn)子上的凹或凸齒對(duì)著霍爾傳感器時(shí)，霍爾傳感器輸出的電流大小不一樣。經(jīng)過電路處理后，將電流變化轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，利用方波信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置的檢測。為了方便電路系統(tǒng)的調(diào)試和程序的下載，系統(tǒng)設(shè)置了JTAG和UART口。其中JTAG主要用于調(diào)試工作，當(dāng)然也可以用于程序下載。而UART口則既可以將各種數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦主機(jī)，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(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制芯片是LPC2114，其內(nèi)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(nèi)部集成256 kB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)區(qū)、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(nèi)置倍頻鎖相環(huán)(PLL)，可實(shí)現(xiàn)最大為60 MHz的CPU操作率。同時(shí)LPC2124支持片上調(diào)試、斷點(diǎn)，方便系統(tǒng)軟、硬件的調(diào)試。
1．3 關(guān)鍵電路
1．3．1 隔離驅(qū)動(dòng)、推挽、諧振匹配電路
隔離驅(qū)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或非門后形成兩路相應(yīng)的反相方波，與原來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(qū)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(hào)轉(zhuǎn)換成兩路相位差為90°的交流方波信號(hào)。由于超聲波電機(jī)工作需要的是正弦交流信號(hào)，且超聲波電機(jī)屬容性負(fù)載，所以用串聯(lián)電感的方式進(jìn)行諧振匹配。