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
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.实验结果表明,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
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
.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)应采用带有反馈检测环节的闭环系统,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
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软件流程
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
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作者简介:段小汇,研究生,从事超声波电机技术研究.
?
55?