尤向陽

（1.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.河南科技大學(xué)應(yīng)用工程學(xué)院,河南三門峽472000）

專用集成PWM芯片雖然能夠用于超聲波電機(jī)的控制，但其無法滿足實時性能要求高的位置控制和需要在線辨識參數(shù)的精確調(diào)速控制場合[1]。DSP芯片因其實時、高速、低功耗和高集成度的特點，被廣泛應(yīng)用在電機(jī)控制領(lǐng)域。由于超聲波電機(jī)通常工作在諧振頻率附近，以DSP56F801作為核心控制器的超聲波電機(jī)驅(qū)動控制裝置產(chǎn)生的PWM信號滿足了超聲波電機(jī)諧振頻率，此PWM信號經(jīng)過雙推挽驅(qū)動電路可驅(qū)動超聲波電機(jī)[2]。實現(xiàn)超聲波電機(jī)閉環(huán)控制時，轉(zhuǎn)速的實時檢測與諧振頻率的在線跟蹤是必須首先解決的兩個重要問題。本文說明了基于DSP56F801產(chǎn)生PWM信號的方法，并在此基礎(chǔ)上對電機(jī)測速的算法和頻率自動跟蹤的算法進(jìn)行設(shè)計，通過軟件實現(xiàn)在線測速和實時頻率跟蹤。

1 PWM信號的產(chǎn)生

超聲波電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)采用雙推挽逆變電路，根據(jù)超聲波電機(jī)的驅(qū)動電壓波形需求和推挽逆變電路的工作特點，要求DSP能夠產(chǎn)生頻率、相位差、占空比均可調(diào)的PWM信號，通過實時正確配置DSP56F801的PWM模塊中各寄存器的值可產(chǎn)生所需PWM信號[3]。PWM模塊有6個輸出通道，從PWM0-PWM5，超聲波電機(jī)驅(qū)動用到PWM0-PWM3，將其配置為兩對互補(bǔ)通道對；將PWM4、PWM5屏蔽，即通道占空比為0%。PWM0-PWM3信號如圖1所示。

圖1 PWM模塊輸出信號

為了保證推挽式逆變電路正常工作，需要對PWM模塊的死區(qū)寬度寄存器和標(biāo)志位進(jìn)行設(shè)置，保證生成一組自帶死區(qū)的互補(bǔ)PWM信號。根據(jù)設(shè)定的死區(qū)時間DT以及PWM波的周期可以計算PWM信號的占空比。死區(qū)時間DT按公式（1）進(jìn)行設(shè)置。

式中，P為PWM模塊的預(yù)分頻值。PMDEADTM為PWM模塊的死區(qū)控制字。IPBus時鐘頻率為40MHz。設(shè)P=2，PMDEADTM=200，同時取PWM周期的50%等于PMDEADTM的值，則輸出頻率為50KHz的PWM信號，才能滿足實驗用USM的諧振頻率要求。模塊中各寄存器正確賦值后，將PWMEN位置1，使PWM發(fā)生器工作，并在每半周期重載中斷程序中載入不同的值，實現(xiàn)頻率、占空比、相位差的實時調(diào)整，實現(xiàn)超聲波電機(jī)的速度控制。PWM信號的軟件流程圖如圖2所示。

圖2 PWM信號軟件流程圖

在主程序中完成對PWM模塊寄存器的初始化；并賦初值給 Period、Deadtime 、Intercount、Phavalue。

PWM信號的頻率：

其中IPBUS時鐘頻率為40MHz；P為預(yù)分頻值，這里P=2；Period表示計數(shù)模寄存器PWMCM中的值。

PWM信號的占空比：

其中Deadtime表示死區(qū)控制寄存器PMDEADTM中的值。

超聲波電機(jī)兩相輸入交流電壓間的相位差主要由PWM0和PWM2之間的相位差來決定，可由下式（4）求得.

當(dāng)重載中斷發(fā)生時，根據(jù)Intercount的值，將不同的值載入，計數(shù)值寄存器PWMVAL2，Intercount的值為1時將Phavalue中的值送入計數(shù)值寄存器PWMVAL2；當(dāng)Intercount為0時，將（Period-Phavalue）中的值送入計數(shù)值寄存器PWMVAL2。

2 超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速測量

本文中轉(zhuǎn)速測量是用DSP中內(nèi)置外圍模塊中的TIMER定時器在一定的時間內(nèi)對光電編碼器輸出的脈沖進(jìn)行計數(shù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)運算得出轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。DSP56F801內(nèi)設(shè)兩個定時器，每個定時器內(nèi)部包括4個16位的計數(shù)器/定時器；每個計數(shù)器有單獨的分頻器，并且它們可以級聯(lián)使用；每個計數(shù)器都有捕捉和比較功能。定時器控制寄存器（TMRCTRL）中的13～15位可設(shè)置計數(shù)器的工作模式，將此3位設(shè)置為100時，計數(shù)器工作在相位檢測模式，即可對編碼器輸出的A、B相脈沖進(jìn)行4倍頻，并可判斷旋轉(zhuǎn)方向。其計數(shù)和方向判斷原理圖如圖3所示。狀態(tài)和控制寄存器（SCR）中的Capture Mode可用來設(shè)置輸入沿的捕捉模式。定時器D的計數(shù)器有自己固定的3個I/O引腳，將碼盤信號直接連接到這3個引腳TD0-TD2。

圖3 定時器相位檢測模式工作原理

常用的能兼顧高低轉(zhuǎn)速的數(shù)字測速方法為M/T法[4]。M/T法測速既記錄測速時間內(nèi)碼盤輸出的脈沖數(shù)M1，又檢測同一時間間隔內(nèi)高頻時鐘脈沖數(shù)M2，是一種綜合性能最佳的測速方法。M/T法測速原理如圖4所示，它利用光電編碼器輸出的脈沖上升沿啟動采樣周期定時器工作，同時啟動高頻脈沖計數(shù)器。當(dāng)采樣周期定時結(jié)束時，重新捕捉光電編碼器上升沿，當(dāng)捕捉到上升沿時停止高頻脈沖計數(shù)器。其定時器的同步和捕獲功能保證了測速的精度。

采用M/T法測得電機(jī)轉(zhuǎn)速可表示為式（5）。

式中f0表示高頻時鐘脈沖頻率，PN表示碼盤光柵數(shù)。

采用M/T法測速的相對誤差與轉(zhuǎn)速無關(guān)，表達(dá)式如式（6）所示。

圖4 M/T法測速原理

采用M/T法實現(xiàn)電機(jī)測速的程序流程圖如圖5所示。

3 超聲波電機(jī)的頻率跟蹤

為使電機(jī)獲得較高的工作效率，其輸入兩相電壓的頻率應(yīng)位于電機(jī)的固有諧振頻率附近，否則驅(qū)動電流將與正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的反饋電流發(fā)生向量疊加，進(jìn)而削弱電機(jī)驅(qū)動能力[5]。而超聲波電機(jī)隨著運行時間的加長，由于溫升、負(fù)載變化及周圍環(huán)境變化等原因?qū)?dǎo)致電機(jī)的諧振頻率發(fā)生漂移。因此，驅(qū)動系統(tǒng)中加入頻率檢測電路來檢測電機(jī)諧振頻率的漂移，并以此調(diào)整電機(jī)的驅(qū)動頻率，能實現(xiàn)頻率跟蹤，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

由超聲波電機(jī)開環(huán)實驗結(jié)果可知，在電機(jī)諧振頻率附近的區(qū)域內(nèi)，檢測信號的電壓值峰值比較高，在30V以上；其他區(qū)域電壓值都較低，在25V以下。在諧振頻率附近，電機(jī)輸入端電壓峰值減小，反饋電壓峰值增大。通過測試出反饋回來的電壓可以實現(xiàn)電機(jī)的頻率跟蹤。

圖5 電機(jī)速度測試程序流程圖

本文的頻率跟蹤功能利用A/D模塊與PWM模塊聯(lián)合實現(xiàn)。DSP56F801的ADC包括8個輸入通道和兩個獨立的采樣保持電路，轉(zhuǎn)換精度為12位，轉(zhuǎn)換的最大值是32760。ADC的時鐘是從總線時鐘獲得，它和總線時鐘的關(guān)系是可編程的；轉(zhuǎn)換速度最快為每次同時掃描需要5.3us；有同時和順序兩種采樣模式；模數(shù)轉(zhuǎn)換器有2個獨立的轉(zhuǎn)換器，8個輸入通道分為兩組：AN0～AN3，AN4～AN7，每組都有各自獨立的一個采樣保持電路，可保持本組內(nèi)一路信號。VREF參考電壓源經(jīng)電感濾波接到3.3V直流電源。

采用電壓反饋式頻率跟蹤方法，通過反饋回來的電壓實現(xiàn)電機(jī)的頻率跟蹤。通過對孤極反饋電壓進(jìn)行采樣，獲得反饋電壓的峰值與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)采樣得到的值小于設(shè)定值時，通過改變PWM計數(shù)模寄存器（PWMCM）中的值改變PWM信號的頻率，從而實現(xiàn)電機(jī)諧振頻率的自動跟蹤。圖6為PWM信號波形與孤機(jī)反饋電壓波形，電機(jī)工作在諧振狀態(tài)時，反饋電壓的最大值出現(xiàn)在PWM信號為高電平期間。

圖6 PWM信號波形與孤機(jī)反饋電壓波形

程序?qū)崿F(xiàn)時，在PWM模塊重載中斷發(fā)生且PWM1信號在中斷結(jié)束后輸出將為高電平，在此時的PWM重載中斷程序中觸發(fā)ADC模塊，對反饋電壓進(jìn)行采樣。設(shè)置AD模塊寄存器時，允許掃描結(jié)束中斷；使ADC模塊工作在最大時鐘頻率5MHZ，且只允許sample0-sample2，都對AN0進(jìn)行采樣，采樣連續(xù)進(jìn)行4個周期，獲得12個采樣值。當(dāng)掃描結(jié)束時，掃描結(jié)束中斷標(biāo)志位置1，向CPU申請中斷，經(jīng)裁決后，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在程序中取12個采樣值中的最大值作為反饋電壓的最大值與參考值進(jìn)行比較，若小于參考值，使PWM計數(shù)模寄存器（PWMCM）加1，使頻率減小一個頻率單位；若大于參考值，則維持PWMCM中的值不變，保持原驅(qū)動頻率不變。

頻率跟蹤的程序流程圖如圖7所示。在主程序中定義全局變量Adsam、Sample[3]、Feedback、refervalue；其中Adsam代表掃描中斷次數(shù)；Sample[3]表示3次采樣值；Feedback表示12次采樣得到的最大值；refervalue表示設(shè)定的參考值（諧振時反饋電壓的最大值）。

圖7 諧振頻率自動跟蹤程序流程圖

4 小結(jié)

基于DSP56F801說明了超聲波電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)PWM信號產(chǎn)生方法。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了電機(jī)測速的算法和頻率自動跟蹤的算法并通過軟件實現(xiàn)在線測速和實時頻率跟蹤。該自動測速和頻率跟蹤算法實現(xiàn)簡單，計算量小，運行效率高。在此基礎(chǔ)上，下一步可結(jié)合各種控制策略對超聲波電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制研究，來實現(xiàn)對超聲波電機(jī)運行的高效實時控制。