亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        一種基于CompactRIO的超聲波電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2011-07-20 03:59:36王鋒良
        微特電機(jī) 2011年12期
        關(guān)鍵詞:嵌入式電動(dòng)機(jī)超聲波

        王鋒良,楊 明

        (上海交通大學(xué),上海200240)

        0 引 言

        超聲波電動(dòng)機(jī)是一種新型電機(jī),它利用壓電材料的逆壓電效應(yīng),激發(fā)彈性體(定子)在超聲頻段內(nèi)的微幅振動(dòng),并通過定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用將振動(dòng)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)或動(dòng)子的直線運(yùn)動(dòng),輸出功率帶動(dòng)負(fù)載[1]。超聲波電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比具有低速、大轉(zhuǎn)矩、無電磁干擾、斷電自鎖及結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等特點(diǎn),可以廣泛應(yīng)用于航空航天、國防、醫(yī)療、精密微動(dòng)機(jī)構(gòu)、工業(yè)控制、對磁干擾敏感的設(shè)備、機(jī)器人工業(yè)、高檔汽車等領(lǐng)域[2]。根據(jù)壓電激勵(lì)模式、結(jié)構(gòu)形式、電機(jī)功能和應(yīng)用場合,可以將超聲波電動(dòng)機(jī)分成不同的種類[3],而行波型電機(jī)以其優(yōu)越的性能和廣泛的應(yīng)用越來越受到人們的關(guān)注,本文所做研究就是針對這種行波型超聲波電動(dòng)機(jī)。

        CompactRIO是由National Instruments(簡稱NI)推出的具有極高實(shí)時(shí)性的嵌入式控制與采集平臺(tái),適用于可靠的獨(dú)立式或分布式應(yīng)用系統(tǒng),為高級控制和監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域提供了理想的解決方案[4]。CompactRIO提供了一個(gè)開放的嵌入式架構(gòu),包括內(nèi)置的嵌入式控制器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、可編程FPGA以及小型、堅(jiān)固且可熱插拔的工業(yè)I/O模塊。該嵌入式系統(tǒng)可以使用高效的LabVIEW圖形化編程工具進(jìn)行開發(fā),從而快速實(shí)現(xiàn)測量與控制系統(tǒng)的自定義設(shè)計(jì)。

        本文用CompactRIO嵌入式系統(tǒng)和強(qiáng)大的Lab-VIEW圖形化編程工具,設(shè)計(jì)了一種超聲波電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng),并對實(shí)驗(yàn)室的超聲致動(dòng)血泵進(jìn)行了系統(tǒng)測試,開發(fā)周期短,控制效果好,可擴(kuò)展性強(qiáng)。

        1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能

        超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要兩相具有一定相位差的高頻高壓正弦信號,頻率一般在20~100 kHz,幅度為幾十伏甚至幾百伏。超聲波電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方式主要有調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種。本系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,CompactRIO作為主控平臺(tái),用其FPGA模塊產(chǎn)生兩路頻率和相位差可調(diào)的方波信號,并通過C系列I/O模塊輸出到驅(qū)動(dòng)電路,驅(qū)動(dòng)電路將信號進(jìn)行功率放大和升壓匹配之后驅(qū)動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)。速度檢測單元用光電電碼盤對超聲波電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)測量,然后反饋給CompactRIO平臺(tái)。CompactRIO的實(shí)時(shí)控制器把測得的頻率信號轉(zhuǎn)換成速度信號,一方面用于顯示,另一方面用于實(shí)現(xiàn)對速度的閉環(huán)控制。PC端通過網(wǎng)絡(luò)共享變量技術(shù)與CompactRIO通信,實(shí)現(xiàn)對超聲波電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制。

        圖1 系統(tǒng)框圖

        2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

        前文所述,超聲波電動(dòng)機(jī)需要峰峰值達(dá)幾十伏到幾百伏的正弦波電壓驅(qū)動(dòng),而通常用于驅(qū)動(dòng)電路的是直流電源,這就需要功率變換和升壓匹配。常用的功率變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有推挽型、半橋型、和全橋型三種。全橋型變換器既保持有半橋型電路中開關(guān)管截止時(shí)漏源極間所承受的電壓較推挽型低的特點(diǎn),又有推挽型電路所具有的輸出電壓高、功率大的優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是電路較復(fù)雜。然而,現(xiàn)在市場上有許多現(xiàn)成的可供選擇的四電橋電源驅(qū)動(dòng)管理芯片,某種程度上反而減輕了電路的復(fù)雜度。

        UCC3895是TI公司生產(chǎn)的PWM移相全橋控制芯片,它是 UC3875(79)的改進(jìn)型,除具有UC3875(79)功能外,還增加了自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置,以適應(yīng)負(fù)載變化時(shí)不同的準(zhǔn)諧振開關(guān)要求;另外還增加了PWM軟關(guān)斷能力。由于采用了BCDMOS工藝,使得它的功耗更小,工作頻率更高,更加符合電子裝置高效率、高頻率、高可靠的發(fā)展要求[5]。

        本驅(qū)動(dòng)電路選用全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以UCC3895為主控芯片設(shè)計(jì)而成,驅(qū)動(dòng)電路整體框圖如圖2所示。CompactRIO產(chǎn)生的兩路頻率信號,分別送給兩塊UCC3895的同步信號輸入端,經(jīng)過UCC3895內(nèi)部電路的作用,分別產(chǎn)生全橋拓?fù)渌璧乃穆房刂菩盘枴榱嗽黾与娐返目垢蓴_能力,控制模塊與功率模塊之間必須隔離,本電路采用高速光耦隔離芯片HCPL-2630進(jìn)行電氣隔離。MOSFET管的驅(qū)動(dòng)采用IR公司推出的高性能集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2110,大大簡化了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。由于全橋逆變產(chǎn)生的是高頻方波,經(jīng)過脈沖變壓器的升壓匹配之后才能驅(qū)動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)。

        圖2 驅(qū)動(dòng)電路

        3 基于CompactRIO平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

        3.1 CompactRIO硬件平臺(tái)簡介

        圖3 CompactRIO基本組成

        NI CompactRIO硬件平臺(tái)是一個(gè)基于FPGA技術(shù)的嵌入式系統(tǒng),包含一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)控制器和一個(gè)可重復(fù)配置I/O FPGA核的底板,F(xiàn)PGA核可提高專用硬件電路可靠性和硅片上并行執(zhí)行性能,嵌入式實(shí)時(shí)控制器用于獨(dú)立和分布式實(shí)時(shí)操作。圖3描述了CompactRIO平臺(tái)的基本構(gòu)成,根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)建需求,可以選擇不同的I/O模塊,其內(nèi)置可直接和傳感器/調(diào)節(jié)器連接的信號調(diào)理。

        3.2 CompacRIO 軟件設(shè)計(jì)

        NI CompactRIO開發(fā)的系統(tǒng)程序主要包括上位機(jī)程序、RT程序和FPGA程序三個(gè)部分。上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與下位機(jī)通信,RT程序在LabVIEW Real-Time實(shí)時(shí)環(huán)境下編寫,F(xiàn)PGA程序要借助LabVIEW FPGA Module來編寫,是最底層的程序,它主要完成對I/O采集模塊的低層配置,程序編寫時(shí)將代碼編譯成CompactRIO硬件設(shè)備上可運(yùn)行的程序[6],其軟件構(gòu)架如圖4所示。

        圖4 NI CompactRIO的軟件架構(gòu)

        FPGA程序運(yùn)行于FPGA底板,它的主要功能是實(shí)現(xiàn)I/O功能、基于硬件的定時(shí)與觸發(fā)、較低水平的信號處理以及控制。本文用FPGA程序?qū)崿F(xiàn)兩相頻率信號的產(chǎn)生、輸出移相控制電壓和碼盤信號的頻率測量。兩相頻率信號的產(chǎn)生是通過FPGA自帶的方波發(fā)生函數(shù)(圖5)產(chǎn)生,該函數(shù)利用直接數(shù)字合成技術(shù)(DDS),并基于40 MHz的FPGA時(shí)鐘頻率產(chǎn)生實(shí)時(shí)的頻率。該時(shí)鐘最高可配置為200 MHz,輸出方波的頻率、相位差,占空比都可以直接由輸入端口配置。

        圖5 方波發(fā)生函數(shù)

        RT程序運(yùn)行于實(shí)時(shí)控制器上,它的主要功能是數(shù)據(jù)處理、控制和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。RT程序是整個(gè)平臺(tái)的核心,它一方面通過交互式前面板與FPGA程序通訊,另一方面通過網(wǎng)絡(luò)共享變量技術(shù)與上位機(jī)程序通訊。網(wǎng)絡(luò)共享變量技術(shù)是LabVIEW為簡化網(wǎng)絡(luò)編程而提出的,通過共享變量,用戶可以在不同的計(jì)算機(jī)上的VI之間、本地不同VI或同一個(gè)程序框圖的不同循環(huán)之間交換數(shù)據(jù)。本文的RT程序主要用來相關(guān)的浮點(diǎn)運(yùn)算、PID控制算法、以及與FPGA和上位機(jī)通訊等功能。

        上位機(jī)程序運(yùn)行于PC端,主要功能是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、鏈接數(shù)據(jù)庫、提供用戶界面以及高級控制。本文的PC程序主要用來速度顯示、相關(guān)參數(shù)設(shè)定、電機(jī)控制等功能,設(shè)計(jì)的PC端主界面如圖6所示。

        圖6 程序主界面

        4 系統(tǒng)測試

        為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能,本文采用本實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的超聲波致動(dòng)血泵對系統(tǒng)進(jìn)行了測試,包括在開環(huán)狀態(tài)下和閉環(huán)狀態(tài)下的測試,實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

        圖7 系統(tǒng)測試

        4.1 開環(huán)測試

        本系統(tǒng)主要采用調(diào)頻和調(diào)相控制策略,在開環(huán)狀態(tài)下,測得的頻率特性曲線如圖8所示。從圖中可以看出,超聲波電動(dòng)機(jī)諧振頻率在41 kHz附近,在諧振頻率左側(cè)曲線很陡,不適合用來調(diào)速,而右側(cè)較平滑,故適合調(diào)速。

        調(diào)節(jié)兩路驅(qū)動(dòng)信號的相位差,可以調(diào)節(jié)超聲波電動(dòng)機(jī)定子齒上的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡,從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向,圖9是在頻率為42 kHz、峰峰值Vpp=420 V的情況下測得頻率-轉(zhuǎn)速曲線,呈現(xiàn)類正弦變化特征。從圖上還可以發(fā)現(xiàn),特性曲線存在一定的死區(qū),大概為20°,相位差從90°~20°逐步變化時(shí),超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸減小,而轉(zhuǎn)子的蠕動(dòng)現(xiàn)象不會(huì)明顯增加,但小于20°時(shí),轉(zhuǎn)速會(huì)有明顯的蠕動(dòng),并很快進(jìn)入死區(qū)[7]。

        4.2 閉環(huán)測試

        超聲波電動(dòng)機(jī)目前還沒有精確的數(shù)學(xué)模型,只能通過閉環(huán)來控制,而工程中常用的PID控制方法不需要知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,故適合于超聲波電動(dòng)機(jī)的速度閉環(huán)控制。反饋環(huán)節(jié)與閉環(huán)控制的性能優(yōu)劣有直接關(guān)系,本設(shè)計(jì)用2 048 p/r光電編碼器用來測量電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速,保證了速度測量的精度。為了測試系統(tǒng)的控制性能,分別進(jìn)行了調(diào)頻PID控制和調(diào)相PID控制,并與開環(huán)狀態(tài)下直接改變頻率的速度波形進(jìn)行了比較。圖10是在開環(huán)狀態(tài)下直接改變頻率得到的速度波形,圖11是調(diào)相PID控制下改變目標(biāo)速度值后的實(shí)際速度波形,圖12是調(diào)頻PID控制下改變目標(biāo)速度值后的速度波形。經(jīng)比較可以發(fā)現(xiàn),調(diào)相PID控制波形穩(wěn)定,但是跟蹤速度較慢,調(diào)頻PID控制跟蹤速度很快,但速度有較大的波動(dòng)。由此可見,如果既要跟蹤速度快又要速度波動(dòng)小,調(diào)頻和調(diào)相的復(fù)合控制可能是個(gè)不錯(cuò)的選擇,這有待于進(jìn)一步研究。

        5 結(jié) 語

        本文提出了一種基于CompactRIO的超聲波電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng),使用強(qiáng)大的圖形化編程語言Lab-VIEW對系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)開發(fā)周期短,運(yùn)行可靠,速度控制方式靈活,并且利用網(wǎng)絡(luò)共享變量技術(shù),可以輕松的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。實(shí)踐證明,本系統(tǒng)適合用作超聲波電動(dòng)機(jī)控制研究的平臺(tái)以及需要遠(yuǎn)程監(jiān)控超聲波電動(dòng)機(jī)運(yùn)行等場合。

        [1] 段志杰,李千,吳華德,等.超聲電機(jī)用壓電材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2008,22(6):24 -26.

        [2] 李有光,陳在禮,郝銘,等.基于全橋移相策略的行波超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子,2007(10):18-19.

        [3] Huang Sujuan,Xu Zhike,Jin Long,et al.Research on Control of Ultrasonic Motor Based on Virtual Instrument[C]//Proceedings of the International Conference on Electrical Machines and Systems.2008:3632-3635.

        [4] Getting Started with CompactRIO and LabVIEW[EB/OL].http://www.ni.com.

        [5] 張哲,張純江,沈虹.新型移相控制器UCC3895的應(yīng)用研究[J].電力電子技術(shù),2005,39(3):64 -65.

        [6] 劉禎.基于CompactRIO的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)測試系統(tǒng)的研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2010.

        [7] 胡敏強(qiáng),金龍,顧菊平.超聲波電機(jī)原理與設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2005:142-142.

        猜你喜歡
        嵌入式電動(dòng)機(jī)超聲波
        淺析電動(dòng)機(jī)日常維護(hù)與保養(yǎng)
        永磁同步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能計(jì)算
        基于Niosll高精度超聲波流量計(jì)的研究
        電子制作(2018年17期)2018-09-28 01:56:38
        搭建基于Qt的嵌入式開發(fā)平臺(tái)
        嵌入式軟PLC在電鍍生產(chǎn)流程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
        蝙蝠的超聲波
        超聲波流量計(jì)的研究
        電子制作(2016年21期)2016-05-17 03:52:47
        超聲波流量計(jì)在蘭干渠上的應(yīng)用
        基于KB0的電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)
        電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配合及CPS在民用建筑中的應(yīng)用
        免青青草免费观看视频在线| 乱老年女人伦免费视频| 国产一区二区三区免费观看在线| 免费观看黄网站| 伊人久久亚洲综合影院首页| 亚洲国产精品夜男人天堂| 高清在线有码日韩中文字幕| 国产办公室秘书无码精品99| 曰批免费视频播放免费直播| 国产一区二区精品尤物| 日韩av在线不卡观看| av在线播放免费网站| 久久人人爽爽爽人久久久| 中文字幕一区二区三区精华液| 亚洲欧美在线观看一区二区| 日韩精品高清不卡一区二区三区| 亚洲成人av在线蜜桃| 色狠狠色噜噜av天堂一区| 99精品视频在线观看| 日韩毛片久久91| 女主播国产专区在线观看| 亚洲中国精品精华液| 午夜无码国产理论在线| 五月婷婷激情综合| 国产女人高潮的av毛片| 久草视频在线手机免费看| 国产欧美日韩精品专区| 丰满少妇被猛烈进入无码| 丝袜 亚洲 另类 欧美| 国产一区二区av在线免费观看| 深夜福利啪啪片| 成人免费毛片内射美女-百度| 日本高清在线播放一区二区三区| 日韩精品人妻视频一区二区三区| 4hu四虎永久免费地址ww416| 在线亚洲人成电影网站色www| 在线视频青青草猎艳自拍69| 国产91精品自拍视频| 99在线精品免费视频| 亚洲中久无码永久在线观看同| 亚洲国产精品综合久久20|