行波超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：提出基于8254的行波超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，對(duì)二個(gè)相差90°的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制相當(dāng)方便。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)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(jī)；同步信號(hào)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

超聲電動(dòng)機(jī)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種集電機(jī)、精密機(jī)械、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)矩、響應(yīng)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(shè)備、儀器儀表、計(jì)算機(jī)外設(shè)、辦公自動(dòng)化和家用電器上，而且可用于機(jī)器人、汽車、生物醫(yī)學(xué)工程、航空學(xué)工程、航空航天和軍事設(shè)備上。因此，超聲電動(dòng)機(jī)被譽(yù)為新世紀(jì)的“綠色電動(dòng)機(jī)”^[1]。

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

1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成及其原理

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

圖1 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

根據(jù)二路方波信號(hào)相位差與定子環(huán)表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系可以確定，如果二路信號(hào)相位差90°（電角度）時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。通過改變相位差，可對(duì)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，可通過對(duì)輸出方波信號(hào)頻率進(jìn)行控制，達(dá)到抑制諧振頻率的漂移^[3]。

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

2 方波發(fā)生器設(shè)計(jì)

8254是一種常用的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，具有三個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器有六種工作方式，其計(jì)數(shù)速度可達(dá)10MHz^[4]。系統(tǒng)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(hào)及二路方波信號(hào)相位差的控制信號(hào)。計(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)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(hào)，并通過改變計(jì)數(shù)器數(shù)值實(shí)現(xiàn)變頻控制。計(jì)數(shù)器2工作于0方式，即終止計(jì)數(shù)中斷方式，用來(lái)控制計(jì)數(shù)器1允許與停止計(jì)數(shù)，使其滯后于計(jì)數(shù)器0數(shù)個(gè)時(shí)鐘脈沖才開始計(jì)數(shù)，以便獲得具有一定相位差的二路方波信號(hào)，且通過改變計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)值實(shí)現(xiàn)二路方波信號(hào)相位差的控制。工作于最小模式時(shí)，8254的WR由微機(jī)WR和IOWC通過或門產(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