曹勝華，金 龍

(1.國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京 210003;2.東南大學，江蘇南京 210096)

0 引 言

超聲波電動機是一種新型的直接驅動型微電機，其原理完全不同于傳統(tǒng)的電磁電機，它既沒有電磁繞組和磁路，也不是通過電磁的相互作用來傳遞能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應激發(fā)出定子彈性體的機械振動，此振動通過定轉子之間的接觸摩擦來傳遞能量。與傳統(tǒng)的電磁電機相比，超聲波電動機具有低速大轉矩、不受磁場影響、同時本身也不產生磁場、慣性小、動作響應快、控制特性好、無輸入自鎖、定位精度高、結構簡單、重量輕、噪聲小、可直接驅動負載等優(yōu)異特性［1－2］，是對傳統(tǒng)電磁電機的突破和有力補充。由于超聲波電動機可直接驅動負載，不使用齒輪變速，既簡化了機械結構，也避免了使用齒輪變速所帶來的噪聲、振動、間隙以及低效率、難控制等一系列問題。超聲波電動機作為執(zhí)行元件，在工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車專用電器、超高精度測量儀器、辦公自動化設備、智能機器人、醫(yī)療器械、高教器材、電動窗簾等領域具有廣泛應用前景。

超聲波電動機是基于高頻機械振動和摩擦驅動來工作的，工作過程十分復雜，電機的參數(shù)會隨著溫度和驅動條件的變化而變化，動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、參數(shù)時變的系統(tǒng)，精確數(shù)學模型難于建立，因此超聲波電動機的控制系統(tǒng)技術水平對電機的性能好壞影響很大。伴隨超聲波電動機控制技術研究的深入，超聲波電動機控制技術單靠應用傳統(tǒng)PWM技術已經滿足不了控制精度的要求，這里介紹一種基于高精度PWM技術的超聲波電動機控制技術，并給出UMC60型超聲波電動機的實驗驗證。

1 控制原理

在各種超聲波電動機類型中環(huán)形行波型超聲波電動機的應用是最廣泛的，在各種超聲波電動機控制特性中速度控制應用也是最廣泛的。所以這里主要研究環(huán)形行波型超聲波電動機的速度控制技術。這里選擇UMC60型超聲波電動機為控制對象開展速度控制技術研究。

根據環(huán)形行波型超聲波電動機工作原理，需要高性能二相高壓驅動電源驅動來形成環(huán)形行波，因此電機速度控制技術有調頻調速、調幅調速和調相調速三種［3］。UMC60型超聲波電動機調速特性曲線如圖1～圖3所示。

在調頻調速、調幅調速和調相調速三種調速方法中，調相調速存在控制復雜、存在死區(qū)等諸多問題，調幅調速也存在調速范圍窄、存在死區(qū)等諸多問題，因此通常使用調頻調速作為主要調速方法。

為了控制超聲波電動機工作，控制系統(tǒng)需要產生高性能二相驅動電源，具體形成過程如下:(1)由DSP產生四路PWM波輸出;(2)經過接口匹配電路電平變換后輸入IR2103驅動器;(3)IR2103驅動器輸出信號控制推挽式逆變電路(含場效應管和變壓器)產生高性能二相驅動電源。如圖4所示。

圖4 超聲波電動機控制器驅動部分硬件框圖

通過上面分析知道，通過控制四路PWM波輸出可以達到控制高性能二相驅動電源的目的，但UMC60型超聲波電動機工作電壓頻率在40～44 kHz之間，工作調頻頻帶較窄，因此要進行速度的精細控制還是有一定難度。

2 解決方案

根據UMC60型超聲波電動機工作條件要求，驅動電壓頻率在40～44 kHz之間。

2.1 傳統(tǒng)PWM控制技術解決方案

控制系統(tǒng)以TI公司32位DSP芯片TMS320F2812為核心［4］。TMS320F2812 是美國 TI公司推出的C2000平臺上的定點32位DSP芯片，適用于工業(yè)控制、電機控制等領域，用途廣泛。系統(tǒng)工作時鐘快達150 MHz，處理性能達150 MIPS，每條指令周期6.67 ns。具有出色的DSP控制性能，雙電源供電，具有SPI、SCI等通信接口，通過事件管理器管理PWM硬件。

TMS320F2812利用DSP的事件管理器，產生所需PWM波。具體過程如下:通過對定時器1相應的寄存器正確設置，就能利用DSP內在的PWM硬件產生電路按照正確的控制邏輯產生要求的PWM波。定時器1產生兩路PWM波HIN和LIN的原理如圖5所示。HO和LO為IR2103輸出的驅動場效應管信號。通過調整定時器1的寄存器值可以實現(xiàn)調頻功能。

圖5 PWM波產生示意圖

DSP系統(tǒng)工作時鐘頻率為 fSYSCLK，根據以上PWM波產生原理，為了保證波形對稱和相位90°不變，每增加或減少4個fSYSCLK才能變化一個工作頻率點。電機工作頻率最小fwmin，最大fwmax，控制系統(tǒng)總計N個工作頻率點:

當 fSYSCLK=60 MHz，fwmin=40 kHz，fwmax=44 kHz，則 N=34。

當 fSYSCLK=100 MHz，fwmin=40 kHz，fwmax=44 kHz，則 N=58。

當 fSYSCLK=150 MHz，fwmin=40 kHz，fwmax=44 kHz，則 N=86。

通過提高系統(tǒng)工作時鐘頻率從60～100 MHz，增加工作頻率點ΔN=24。

通過提高系統(tǒng)工作時鐘頻率從60～150 MHz，增加工作頻率點ΔN=52。

隨著DSP系統(tǒng)工作時鐘頻率的提高，控制系統(tǒng)的工作頻率點增加，所以提高DSP系統(tǒng)工作時鐘頻率能提高速度的精細控制能力，但提高也是有限的，因為DSP系統(tǒng)工作時鐘頻率不可能無限提高，如TMS320F2812系統(tǒng)工作時鐘頻率最高150 MHz，對應工作頻率點只有86個［5］。

2.2 高精度PWM控制技術解決方案

控制系統(tǒng)以TI公司32位Piccolo系列DSP芯片TMS320F28035為核心。TMS320F28035具有很高的性價比，出色的DSP控制性能，單電源供電，小封裝，系統(tǒng)工作時鐘頻率適中(60MHz)，帶一個浮點運算核，具有增強型eCAN、SPI、SCI等通信接口，具有增強型eQEP正交編碼接口、增強型ePWM接口、eCAP接口等控制接口，特別為提升電機控制應用能力增加了HRPWM模塊，將電機控制常用的傳統(tǒng)PWM控制技術提升為高精度的PWM技術。

HRPWM模塊內部包含有MEP控制部分，可將系統(tǒng)工作時鐘頻率fSYSCLK進行細分，細分典型值為tMEPSTEP=0.15 ns，即1個 SYSCLK 最多能被 MEP STEP細分成8位二進制數(shù)，這樣PWM可以控制這8位二進制數(shù)值來提高PWM控制精度。如圖6所示。

圖6 MEP控制示意圖

先通過HRCNFG、HRPWR、HRMSTEP控制寄存器進行HRPWM模塊基本設置，然后通過TBPHSHR、TBPRDHR、CMPAHR對相位、周期、比較等控制寄存器設置來完成高精度PWM產生。

式中:INT()為取整數(shù)計算。

通過采用高精度PWM控制技術，在同一工作條件下(fSYSCLK=60 MHz，fwmin=40 kHz，fwmax=44 kHz)，增加工作頻率點ΔN=3640。

即使不同工作條件下(fSYSCLK從150 MHz降低到 60 MHz，fwmin=40 kHz，fwmax=44 kHz)，增加工作頻率點ΔN=3588。

以上計算分析可以得出以下結論:

(1)采用高精度PWM控制技術，在同一系統(tǒng)工作時鐘頻率，能極大地提高超聲波電動機調頻調速控制精度;

(2)采用高精度PWM控制技術，比采用傳統(tǒng)PWM控制技術(通過提高系統(tǒng)工作時鐘頻率來提高超聲波電動機調頻調速控制精度方法)，能更有效地提高超聲波電動機調頻調速控制精度。

3 實驗結果

為了驗證超聲波電動機調速控制效果，使用基于高精度PWM技術的超聲波電動機控制系統(tǒng)對UMC60型超聲波電動機進行速度伺服控制。實驗以電機轉速正弦軌跡跟蹤為具體控制目標，實驗結果曲線如圖7所示。圖中S1、CH1為電機的設定轉速曲線，S2、CH2為電機的實際轉速曲線，S3、CH3為轉速跟蹤誤差曲線。通過S1、CH1與S2、CH2的比較可以看出，無論是仿真結果還是實際運行結果，盡管存在跟蹤誤差，但電機轉速基本可以跟隨設定速度的變化。圖7(c)為電機跟蹤狀態(tài)進入穩(wěn)定后的運行情況，CH1為電機實際轉速曲線，CH2為轉速跟蹤誤差曲線。從圖7(c)可以看出電機的時變性會對運行穩(wěn)定性產生的影響持續(xù)存在。

4 結 語

通過計算分析，采用高精度PWM控制技術，即使在同一系統(tǒng)工作時鐘頻率，也能極大地提高超聲波電動機調頻調速控制精度;采用高精度PWM控制技術，比采用傳統(tǒng)PWM控制技術，能更有效地提高超聲波電動機調頻調速控制精度?；诟呔萈WM技術的超聲波電動機控制系統(tǒng)對UMC60型超聲波電動機進行速度伺服控制實驗，其結果顯示高精度PWM控制技術是適合超聲波電動機速度控制的。驗證了此控制技術的正確性和設計的有效性。該技術能滿足精細速度控制要求，易于工程應用。

［1］胡敏強，金龍，顧菊平.超聲波電機原理與應用［M］.北京:科學出版社，2005.

［2］趙淳生.超聲波電機技術與應用［M］.北京:科學出版社，2007.

［3］王心堅.行波超聲波電機伺服控制特性理論與實踐研究［D］.南京:東南大學，2008.

［4］蘇奎峰，呂強，耿慶鋒，等.TMS320F2812原理與開發(fā)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［5］曹勝華，金龍，陳溪，等.超聲波電機控制技術實驗研究［C］//第十五屆微特電機技術創(chuàng)新與發(fā)展論壇論文集.西安，2009.