俞 浦，李華峰，宋海軍，李 杰

(1.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431;2.南京航空航天大學，江蘇南京210016)

0 引 言

超聲波電動機(以下簡稱USM)是一種具有全新概念的新型微特電機，與傳統(tǒng)電磁電機工作原理不同，它沒有電樞繞組和磁路，也不是依靠電磁原理來轉(zhuǎn)換能量，而是利用壓電材料的逆壓電效應，使定子振動在超聲頻域內(nèi)，通過定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦來獲得驅(qū)動力［1－4］。由于工作原理特殊，與傳統(tǒng)電磁電機相比，USM具有諸如低速大轉(zhuǎn)矩、慣性小、響應快、噪聲小、易控制、斷電自鎖和不受磁場影響等優(yōu)點，因而受到廣泛關(guān)注，在微機電系統(tǒng)、納米技術(shù)、軍工、機器人、生物學、醫(yī)療機構(gòu)、航空航天、辦公自動化等領(lǐng)域展現(xiàn)出很大的應用潛力和優(yōu)勢。但是，驅(qū)動超聲波電動機往往需要配備專用的驅(qū)動器，超聲波電動機對驅(qū)動信號有著較高的要求，目前國內(nèi)外開發(fā)的超聲波電動機的驅(qū)動器及控制電路普遍存在電路體積大，調(diào)速手段單一(調(diào)頻調(diào)速)等問題，為了更好地利用好超聲波電動機的獨特優(yōu)點，使其在更多的領(lǐng)域得到應用，必須在提高驅(qū)動器功能的同時，盡可能減小驅(qū)動器的體積［5］。采用目前市面上流行的MSP430芯片，針對TRUM60型電機，開發(fā)了一種高性能的超聲波電動機新型驅(qū)動器。它將一部分驅(qū)動控制電路整合到MSP430中，縮小了驅(qū)動器體積，同時增加了調(diào)壓調(diào)速的功能，提高了驅(qū)動器性能。

1 MSP430系列單片機概述

美國 TI公司的 MSP430［6－7］系列單片機是一種超低功耗特性的高性能單片機，它將各種外圍資源集中在片上，實現(xiàn)了片上系統(tǒng)，從而大大簡化了系統(tǒng)的設(shè)計。MSP430采用了16位的RISC架構(gòu)，內(nèi)部具有豐富的功能模塊，集成了多通道10至14位的A/D轉(zhuǎn)換器、雙路12位D/A轉(zhuǎn)換器、比較器、電源電壓檢測、串行口USART(UART/SPI)硬件乘法器、Flash存儲器、看門狗定時器及多個16位、8位定時器等功能模塊。這些功能可以滿足目前超聲波電動機驅(qū)動器對單片機的各種需求，簡單可靠，并為以后超聲波電動機驅(qū)動器功能的拓展和完善留下充足接口。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

為滿足超聲波電動機對驅(qū)動控制器的要求，提出了如圖1所示的設(shè)計方案，采用MSP430F16X系列的MSP430F169單片機作為控制核心設(shè)計了新型驅(qū)動器。MSP430控制自制的超聲波電動機專用驅(qū)動芯片PDL1220產(chǎn)生四路頻率可調(diào)的PWM波，驅(qū)動推挽電路的開關(guān)管工作，從而實現(xiàn)對電機起停、正反轉(zhuǎn)及調(diào)頻調(diào)速的功能。在推挽逆變電路之前，增加了Boost升壓電路，通過調(diào)整MSP430輸出PWM波的占空比，實現(xiàn)Boost電路輸出電壓的調(diào)節(jié)，從而改變驅(qū)動器最終的輸出電壓，實現(xiàn)電機調(diào)壓調(diào)速的功能。匹配電路采用常用的串聯(lián)電感匹配，同時增加了Boost電路輸出電壓反饋和孤極電壓反饋兩個反饋電路，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 驅(qū)動器硬件框圖

2.2 主電路部分設(shè)計

驅(qū)動器主電路部分如圖 2所示，它由Boost電路和推挽電路級聯(lián)組成。輸入電壓首先經(jīng)Boost電路升壓后，再由推挽電路升壓逆變，最后加至超聲波電動機使其工作。

升壓電路采用Boost設(shè)計方案，電路設(shè)計參數(shù)如下:輸入電壓12 V(DC);輸出電壓15～45 V(可調(diào));工作頻率100 kHz;電源的輸出濾波電容容量為100 μF;電源的輸出濾波電容耐壓值為65 V。

圖2 驅(qū)動器主電路(單相)

Boost升壓電路的負載為電機驅(qū)動電路，在升壓電路的輸出端并聯(lián)了一個較大的電阻R，防止電機故障等原因造成負載開路，導致Boost電路損壞。

根據(jù)文獻［8］，由式(1)計算得到Boost升壓電路在電流連續(xù)模式和斷續(xù)模式工作時的電感臨界值為 41.6 μH。

式中:LB為臨界電感;fs為開關(guān)管Q1的工作頻率;Io為輸出電流;Vo為Boost電路的輸出電壓;Dmin為控制開關(guān)管Q1信號的最小占空比。本文采用電流連續(xù)模式。

推挽逆變電路部分的輸入電壓即為Boost電路的輸出電壓15～45 V，相應的輸出電壓為133～400 V。開關(guān)管的驅(qū)動頻率為40 kHz，脈沖變壓器磁芯采用鐵氧體磁芯［9］，磁性材料為NCD公司的LP3。根據(jù)法拉第電磁感應定律，由式(2)可以確定原副邊匝數(shù)，分別選為33和297匝，由此可以求得變比為9。

式中:V為原副邊電壓;Kf為波形系數(shù);f為開關(guān)管Q2和Q3的頻率;N為匝數(shù);Bm為磁芯最大工作磁感應飽和強度;Ac為磁芯有效截面積。

2.3 反饋電路部分設(shè)計

驅(qū)動器的反饋主要有兩個部分:Boost升壓電路的穩(wěn)定輸出電壓反饋和超聲波電動機的孤極電壓反饋。兩個反饋都是通過MSP430的ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊來采集信號，經(jīng)過單片機計算后，前者調(diào)節(jié)驅(qū)動電路PWM波的占空比實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定，后者經(jīng)過DAC12數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，控制PDL1220芯片的輸出頻率，以實現(xiàn)用孤極電壓反饋來穩(wěn)定超聲波電動機工作狀態(tài)。

2.3.1 Boost輸出電壓反饋電路

Boost電路輸出電壓反饋采用電阻分壓采樣。Boost輸出電壓經(jīng)電阻分壓后輸入MSP430，為了防止電壓燒壞MSP430芯片，使用一個6 V穩(wěn)壓管連接到反饋可調(diào)電阻上，當輸出電壓高于6 V時，穩(wěn)壓管導通，保護MSP430芯片。

2.3.2孤極電壓反饋電路

超聲波電動機的穩(wěn)定性受溫度、摩擦損耗等干擾較大，其中溫度變化對其運行穩(wěn)定的影響最為顯著。這是因為當電機在使用過程中發(fā)熱，使電機溫度發(fā)生變化，定子的諧振特性將會改變。如果激勵頻率不隨著諧振特性的變化而變化，電機開環(huán)運行下的性能就會明顯改變［10－11］。因此，為了使超聲波電動機轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，有必要引入反饋電路實現(xiàn)閉環(huán)控制。采用孤極電壓反饋電路，對超聲波電動機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，使電機保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。其原理是在超聲波電動機的定子上增加一個單獨的壓電陶瓷作為電壓傳感器，稱之為孤極，理想情況下，孤極電壓的幅值與電機轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。孤極電壓經(jīng)整流和濾波后，經(jīng)單片機MSP430的ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集，模擬信號變成數(shù)字信號。在MSP430單片機中，對孤極電壓與設(shè)定電壓作比較計算，通過DAC12數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，輸出相應的電壓至PDL1220芯片，調(diào)整輸出信號頻率，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖3為孤極電壓反饋控制系統(tǒng)框圖。在PI控制器中，把P控制的增益選得較小，在整個系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，穩(wěn)態(tài)時的孤極電壓等于設(shè)定電壓，通過改變設(shè)定電壓來對電機進行調(diào)速。

圖3 孤極電壓反饋控制系統(tǒng)框圖

由于孤極電壓為交流電，所以孤極電壓采集后必須經(jīng)整流濾波電路變成直流電后送至MSP430，同時由于本驅(qū)動器采用推挽電路來驅(qū)動電機，所以孤極電壓采集時最好實現(xiàn)隔離，采用TL431加4N35實現(xiàn)電壓隔離采集，孤極電壓反饋電路如圖4所示。

圖4 孤極電壓反饋電路圖

3 實驗結(jié)果

實際制作的驅(qū)動器如圖5所示，用此驅(qū)動器驅(qū)動TRUM60型超聲波電動機。電機技術(shù)指標如下:驅(qū)動頻率 41.3 kHz，輸入電壓 12 V，輸入電流1.0 A，電機轉(zhuǎn)速161 r/min。MOSFET的柵極波形及最終的輸出電壓波形如圖6所示。由圖可見，柵極信號無毛刺，且占空比為45%。施加孤極電壓反饋電路后，電機工作運行穩(wěn)定，速度變化可穩(wěn)定在5%以內(nèi)。測試了電機在固定頻率下的調(diào)壓調(diào)速性能，調(diào)速曲線如圖7所示，具有較好的線性。

圖5 超聲波電動機小型驅(qū)動電源外觀

圖6 實驗波形

圖7 固定頻率下的調(diào)壓調(diào)速曲線

4 結(jié) 語

本文基于MSP430單片機，設(shè)計了一種新型平臺的超聲波電動機小型驅(qū)動器，并很好地驅(qū)動了TRUM60型超聲波電動機。該驅(qū)動器增加了調(diào)壓調(diào)速功能，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便等優(yōu)點，并留有豐富的控制接口，為后續(xù)豐富和完善驅(qū)動器功能奠定了基礎(chǔ)。

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