夏孝云，李華峰，姚志遠

(南京航空航天大學(xué)，江蘇南京 210016)

0 引 言

隨著科技的不斷發(fā)展，對運動平臺的精度要求越來越高。精密運動平臺已成為當(dāng)今社會的前沿科學(xué)，是工程技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的精密工作臺采用精密絲杠及滾動(或滑動)導(dǎo)軌、齒輪－杠桿式機構(gòu)等機械傳動式微位移驅(qū)動器。由于機械摩擦、間隙等原因，其運動精度、定位精度很難達到亞微米量級，且系統(tǒng)傳動鏈長、附加慣量大、剛度低，導(dǎo)致平臺精度不易提高。直線電磁電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電磁兼容性差、制造和維護成本高，須附加隔磁和防塵等保護措施和復(fù)雜的控制系統(tǒng)。而超聲波電動機驅(qū)動的平臺具有傳動鏈短(可直接驅(qū)動)、位置分辨率高(nm級)、結(jié)構(gòu)簡單、電磁兼容性好、噪聲小、環(huán)境適應(yīng)性好(真空、高低溫、振動)、可控性強(響應(yīng)時間ms級、斷電自鎖)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。

本文以自制的U型直線超聲波電動機［2］為控制對象，研究其精密定位控制方法［3－5］，電機如圖1所示。電機工作頻率約為119 kHz，工作電壓200 Vpp，2相工作，每相靜態(tài)電容約為52 pF。以下實驗結(jié)果都是以此電機為研究對象得到的。

圖1 U型直線超聲波電動機

1 驅(qū)動控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

圖2 分立元件驅(qū)動控制框圖

目前較成熟的超聲波電動機驅(qū)動控制器有兩種，它們的框圖分別如圖2和圖3所示。圖2為使用分立元件的驅(qū)動控制框圖，圖 3為使用MCU加CPLD的驅(qū)動控制系統(tǒng)。第一種是由頻率產(chǎn)生部分、分頻分相部分、功率放大/電感匹配部分等組成。由于使用分立的邏輯器件構(gòu)成，而分立元件參數(shù)的溫變比較嚴重，導(dǎo)致振蕩源的頻率穩(wěn)定性較差，存在著諸如體積大、效率低、穩(wěn)定性差、維護難等缺點。第二種是基于MCU加CPLD的超聲波電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)，它代替了第一種的眾多分立元件，雖然在一定程度上縮小了驅(qū)動器的體積，也便于加入復(fù)雜的算法，但還沒有真正實現(xiàn)單片化。

圖3 CPLD驅(qū)動控制框圖

2 PSoC3驅(qū)動控制系統(tǒng)

本文提出了以 PSoC3［1］為核心的驅(qū)動控制系統(tǒng)。PSoC3為Cypress公司的第三代嵌入式微控制器，它有效地將高速處理器、數(shù)字和模擬資源集成到一個芯片上。開發(fā)人員只需根據(jù)設(shè)計的需要，選擇適當(dāng)?shù)墓δ苣K，搭建自己的工程系統(tǒng)。高度的集成化使得用戶的設(shè)計快速高效且節(jié)省元器件，因此它為驅(qū)動器的小型化提供了新的思路，可實現(xiàn)真正的單片化。

圖4為直線型超聲波電動機控制系統(tǒng)的簡單構(gòu)成圖，由驅(qū)動信號產(chǎn)生、功放/匹配電路、超聲波電動機、位移反饋回路等組成。采用PSoC3作為信號產(chǎn)生單元和功能控制單元，功放部分采用推挽型變換器，以串聯(lián)電感形式匹配，直線型光柵尺分辨率為0.5 μm。

圖4 系統(tǒng)總體框圖

3 系統(tǒng)各部分構(gòu)成

3.1 驅(qū)動信號產(chǎn)生

直線超聲波電動機精密定位的一個關(guān)鍵問題是精確控制超聲波電動機驅(qū)動信號的脈沖數(shù)，PSoC3的脈沖寬度調(diào)制模塊(PWM)正可實現(xiàn)此功能。PWM模塊提供了比較輸出，用于產(chǎn)生單獨或連續(xù)的時序和控制信號，提供了一種簡單的方法來產(chǎn)生精確的復(fù)雜實時事件。PWM模塊可以產(chǎn)生最多兩個左/右對齊的PWM輸出，1個中心對齊或雙沿PWM輸出。PWM輸出被雙緩沖用于避免由于運行時占空比改變所產(chǎn)生的毛刺。左對齊PWM是通常使用的PWM形式，中心對齊PWM經(jīng)常使用在AC電機控制來保證相位的對齊，雙沿PWM被優(yōu)化用于功率轉(zhuǎn)換，在功率轉(zhuǎn)換中必須調(diào)整相位。

可選的死區(qū)控制及可調(diào)的死區(qū)時間提供了互補的輸出，在每個過渡過程輸出為低?；パa輸出和死區(qū)時間經(jīng)常用在驅(qū)動半橋配置的功率器件，以避免短路對器件造成的損害。

本文選用兩個PWM模塊，通過相應(yīng)配置，可實現(xiàn)4路PWM波形輸出。如圖5所示，其中1路2路互補且?guī)в兴绤^(qū)、3路4路互補且?guī)в兴绤^(qū)、1路和3路相位相差90°。驅(qū)動信號頻率、相位、死區(qū)及輸出個數(shù)均可實時調(diào)節(jié)。四路方波信號用于驅(qū)動推挽電路四個開關(guān)管。

圖5 驅(qū)動信號

3.2 超聲波電動機的位置檢測

本文使用PSoC3中的正交解碼模塊用于解碼光柵尺信號獲取電機位置信息。該模塊具有很強的靈活性:(1)可選的計數(shù)器位數(shù):8，16和32位;(2)可選的1倍，2倍或4倍光柵尺A、B相頻率;(3)可選的復(fù)位信號輸入，用于確定絕對位置;(4)可選的毛刺濾除功能，用于消除系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲。(5)可選的時鐘頻率輸入。

3.3 超聲波電動機的脈沖響應(yīng)特性

脈沖響應(yīng)特性為若干個激勵脈沖對應(yīng)的電機位移量，研究電機的這項特性具有重要的意義，它為電機的精密定位方法提供依據(jù)。傳統(tǒng)電磁步進電動機給予一個脈沖，能走一個恒定的步距角，這是由電磁步進電機結(jié)構(gòu)和驅(qū)動信號決定的。而直線型超聲波電動機則是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和定子的超聲振動，通過定子和動子之間的摩擦作用，把定子的微觀振動轉(zhuǎn)換為動子的宏觀運動。直線超聲波電動機具有這樣一種特性:當(dāng)給定一組脈沖信號時超聲波電動機會相應(yīng)移動一定的位移。當(dāng)電機大小、形狀、共振頻率、負載等條件一定時，給定的脈沖數(shù)越多，電機移動的位移越大，基本上為一種線性關(guān)系，但是由于超聲波電動機的非線性、導(dǎo)軌的平行度、摩擦介面均勻度等因素影響，超聲波電動機的響應(yīng)特性不完全呈線性關(guān)系［6－7］，這是本文的研究的重點之一。與電磁步進電動機的定義一樣，超聲波電動機步距定義為每一步移動的位移。

本文脈沖響應(yīng)特性的測定方法是在頻率119.2 kHz、電壓峰峰值200 V，兩相驅(qū)動電壓相位差90°的條件下，給超聲波電動機施加不同脈沖數(shù)的驅(qū)動信號，得出電機位移與驅(qū)動脈沖個數(shù)的統(tǒng)計關(guān)系，具體實現(xiàn)方法如圖4所示。上位機(PC機)通過RS－232接口與下位機相連，上位機發(fā)送脈沖個數(shù)和啟動信號指令，下位機負責(zé)超聲波電動機的控制(單步驅(qū)動脈沖數(shù)的控制)和位移檢測。經(jīng)過多次反復(fù)實驗測得超聲波電動機的脈沖響應(yīng)特性，如圖6所示。

圖6 超聲波電動機的脈沖響應(yīng)特性

從圖中可以看出，超聲波電動機的單步位移(步距)隨著驅(qū)動脈沖數(shù)的增加而增加，但驅(qū)動脈沖個數(shù)小于6時電機無可測位移。

3.4 控制策略

直線型超聲波電動機具有相當(dāng)高的位置分辨率(可達30 nm)，且具有良好的步進特性，利用這些特性可實現(xiàn)精密定位，本文稱之為脈沖步進定位控制法?？刂扑惴ǖ幕舅枷胧欠侄慰刂品?，可將電機的位置控制分兩段，第一段為連續(xù)運行階段，第二段為步進運行階段。電機的運行狀態(tài)可分為三種:連續(xù)、步進和停止。此方法需要確定電機連續(xù)運行轉(zhuǎn)換為步進運行時實際位置與目標位置的距離(即步進提前量)，如圖7所示，S1為步進提前量，其大小應(yīng)當(dāng)根據(jù)電機的運行速度及負載慣性確定(本文不考慮負載)。本文使用光柵尺的分辨率為0.5 μm，此分辨率決定了驅(qū)動脈沖的最少個數(shù)，故當(dāng)檢測到電機位置距離目標位置±0.5 μm時電機停止運行。

圖7 控制方法示意圖

步進提前量S1不能選擇太大，否則會導(dǎo)致步進運行組數(shù)太多，定位時間太長。當(dāng)超聲波電動機步進運行時，每次給出的步進脈沖個數(shù)N都試圖使電機運行到目標位置，但由于電機的非線性和隨機性，不可能每次都恰好運行到目標位置，系統(tǒng)等待電機在本次激勵停止后再次檢測并計算電機實際位置與目標位置差，根據(jù)電機的脈沖響應(yīng)特性(圖6)決定下個步進的脈沖數(shù)，從而實現(xiàn)目標位置的逐次逼近。由于直線型超聲波電動機的分辨率(50 nm)遠小于使用的光柵尺的分辨率(500 nm)，所以系統(tǒng)定位精度取決于光柵尺的精度。

本文使用脈沖數(shù)查表控制法。當(dāng)進入步進模式時每一步的脈沖數(shù)可由下式算出:

式中:ΔS=S－S(t);S為目標位置，S(t)為t時刻的實際位置，ΔS有符號，為正時表示未到目標位置，為負時表示已超過目標位置，以此來判斷電機下一步運行的方向，直至到達目標位置電機停止。Tab［］的值由實驗得出，根據(jù)圖6可得 Tab［］={0，6，10，14，18，22，26，30}，此算法相比于等脈沖數(shù)步進算法，使用的步進組數(shù)少，可實現(xiàn)快速準確定位。

4 實驗結(jié)果

圖8為超聲波電動機照片，左側(cè)為光柵尺，右側(cè)為超聲波電動機定子，中間為動子。

圖8 超聲波電動機照片

圖9為本文研制的PSoC3超聲波電動機驅(qū)動控制器實物圖。

圖9 驅(qū)動控制電路板

本文提出的控制方法應(yīng)用于此系統(tǒng)得出的定位效果如圖10所示。本系統(tǒng)選擇Tab的上限是11，步進提前量S1為10 μm。當(dāng)電機距離目標位置10 μm時進入步進模式，盡管超聲波電動機的步距具有非線性，此系統(tǒng)均可在3步以內(nèi)精確定位至目標位置。

圖10 精密定位效果

5 結(jié) 語

本文采用以PSoC3為主控芯片，研制直線型超聲波電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了信號產(chǎn)生和控制的單片化目標，最大限度地節(jié)約了PCB的面積，以最簡便的方式實現(xiàn)了更多更靈活的功能。本文討論了超聲波電動機步進脈沖數(shù)的查表控制算法，可實現(xiàn)直線型超聲波電動機的精密定位，定位精度可達0.5 μm，實驗結(jié)果表明這種控制方法簡單快速，此定位方法可用于各種高精度定位場合。

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