尤向陽(yáng)

（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(wú)法滿足實(shí)時(shí)性能要求高的位置控制和需要在線辨識(shí)參數(shù)的精確調(diào)速控制場(chǎng)合[1]。DSP芯片因其實(shí)時(shí)、高速、低功耗和高集成度的特點(diǎn)，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(dòng)控制裝置產(chǎn)生的PWM信號(hào)滿足了超聲波電機(jī)諧振頻率，此PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)雙推挽驅(qū)動(dòng)電路可驅(qū)動(dòng)超聲波電機(jī)[2]。實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)閉環(huán)控制時(shí)，轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)檢測(cè)與諧振頻率的在線跟蹤是必須首先解決的兩個(gè)重要問(wèn)題。本文說(shuō)明了基于DSP56F801產(chǎn)生PWM信號(hào)的方法，并在此基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)測(cè)速的算法和頻率自動(dòng)跟蹤的算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)在線測(cè)速和實(shí)時(shí)頻率跟蹤。

1 PWM信號(hào)的產(chǎn)生

超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓波形需求和推挽逆變電路的工作特點(diǎn)，要求DSP能夠產(chǎn)生頻率、相位差、占空比均可調(diào)的PWM信號(hào)，通過(guò)實(shí)時(shí)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(hào)[3]。PWM模塊有6個(gè)輸出通道，從PWM0-PWM5，超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)用到PWM0-PWM3，將其配置為兩對(duì)互補(bǔ)通道對(duì)；將PWM4、PWM5屏蔽，即通道占空比為0%。PWM0-PWM3信號(hào)如圖1所示。

圖1 PWM模塊輸出信號(hào)

為了保證推挽式逆變電路正常工作，需要對(duì)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(hào)。根據(jù)設(shè)定的死區(qū)時(shí)間DT以及PWM波的周期可以計(jì)算PWM信號(hào)的占空比。死區(qū)時(shí)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(shí)鐘頻率為40MHz。設(shè)P=2，PMDEADTM=200，同時(shí)取PWM周期的50%等于PMDEADTM的值，則輸出頻率為50KHz的PWM信號(hào)，才能滿足實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)頻率、占空比、相位差的實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)的速度控制。PWM信號(hào)的軟件流程圖如圖2所示。

圖2 PWM信號(hào)軟件流程圖

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

PWM信號(hào)的頻率：

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

PWM信號(hào)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(lái)決定，可由下式（4）求得.

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

2 超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量

本文中轉(zhuǎn)速測(cè)量是用DSP中內(nèi)置外圍模塊中的TIMER定時(shí)器在一定的時(shí)間內(nèi)對(duì)光電編碼器輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算得出轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。DSP56F801內(nèi)設(shè)兩個(gè)定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器內(nèi)部包括4個(gè)16位的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器；每個(gè)計(jì)數(shù)器有單獨(dú)的分頻器，并且它們可以級(jí)聯(lián)使用；每個(gè)計(jì)數(shù)器都有捕捉和比較功能。定時(shí)器控制寄存器（TMRCTRL）中的13～15位可設(shè)置計(jì)數(shù)器的工作模式，將此3位設(shè)置為100時(shí)，計(jì)數(shù)器工作在相位檢測(cè)模式，即可對(duì)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(jì)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(lái)設(shè)置輸入沿的捕捉模式。定時(shí)器D的計(jì)數(shù)器有自己固定的3個(gè)I/O引腳，將碼盤信號(hào)直接連接到這3個(gè)引腳TD0-TD2。

圖3 定時(shí)器相位檢測(cè)模式工作原理

常用的能兼顧高低轉(zhuǎn)速的數(shù)字測(cè)速方法為M/T法[4]。M/T法測(cè)速既記錄測(cè)速時(shí)間內(nèi)碼盤輸出的脈沖數(shù)M1，又檢測(cè)同一時(shí)間間隔內(nèi)高頻時(shí)鐘脈沖數(shù)M2，是一種綜合性能最佳的測(cè)速方法。M/T法測(cè)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(dòng)采樣周期定時(shí)器工作，同時(shí)啟動(dòng)高頻脈沖計(jì)數(shù)器。當(dāng)采樣周期定時(shí)結(jié)束時(shí)，重新捕捉光電編碼器上升沿，當(dāng)捕捉到上升沿時(shí)停止高頻脈沖計(jì)數(shù)器。其定時(shí)器的同步和捕獲功能保證了測(cè)速的精度。

采用M/T法測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)速可表示為式（5）。

式中f0表示高頻時(shí)鐘脈沖頻率，PN表示碼盤光柵數(shù)。

采用M/T法測(cè)速的相對(duì)誤差與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，表達(dá)式如式（6）所示。

圖4 M/T法測(cè)速原理

采用M/T法實(shí)現(xiàn)電機(jī)測(cè)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(dòng)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(dòng)能力[5]。而超聲波電機(jī)隨著運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，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(dòng)系統(tǒng)中加入頻率檢測(cè)電路來(lái)檢測(cè)電機(jī)諧振頻率的漂移，并以此調(diào)整電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率，能實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

由超聲波電機(jī)開環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在電機(jī)諧振頻率附近的區(qū)域內(nèi)，檢測(cè)信號(hào)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(guò)測(cè)試出反饋回來(lái)的電壓可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的頻率跟蹤。

圖5 電機(jī)速度測(cè)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(shí)現(xiàn)。DSP56F801的ADC包括8個(gè)輸入通道和兩個(gè)獨(dú)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(shí)鐘是從總線時(shí)鐘獲得，它和總線時(shí)鐘的關(guān)系是可編程的；轉(zhuǎn)換速度最快為每次同時(shí)掃描需要5.3us；有同時(shí)和順序兩種采樣模式；模數(shù)轉(zhuǎn)換器有2個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器，8個(gè)輸入通道分為兩組：AN0～AN3，AN4～AN7，每組都有各自獨(dú)立的一個(gè)采樣保持電路，可保持本組內(nèi)一路信號(hào)。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(guò)反饋回來(lái)的電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)的頻率跟蹤。通過(guò)對(duì)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(shí)，通過(guò)改變PWM計(jì)數(shù)模寄存器（PWMCM）中的值改變PWM信號(hào)的頻率，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)諧振頻率的自動(dòng)跟蹤。圖6為PWM信號(hào)波形與孤機(jī)反饋電壓波形，電機(jī)工作在諧振狀態(tài)時(shí)，反饋電壓的最大值出現(xiàn)在PWM信號(hào)為高電平期間。

圖6 PWM信號(hào)波形與孤機(jī)反饋電壓波形

程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，在PWM模塊重載中斷發(fā)生且PWM1信號(hào)在中斷結(jié)束后輸出將為高電平，在此時(shí)的PWM重載中斷程序中觸發(fā)ADC模塊，對(duì)反饋電壓進(jìn)行采樣。設(shè)置AD模塊寄存器時(shí)，允許掃描結(jié)束中斷；使ADC模塊工作在最大時(shí)鐘頻率5MHZ，且只允許sample0-sample2，都對(duì)AN0進(jìn)行采樣，采樣連續(xù)進(jìn)行4個(gè)周期，獲得12個(gè)采樣值。當(dāng)掃描結(jié)束時(shí)，掃描結(jié)束中斷標(biāo)志位置1，向CPU申請(qǐng)中斷，經(jīng)裁決后，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，在程序中取12個(gè)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(jì)數(shù)模寄存器（PWMCM）加1，使頻率減小一個(gè)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(dòng)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(shí)反饋電壓的最大值）。

圖7 諧振頻率自動(dòng)跟蹤程序流程圖

4 小結(jié)

基于DSP56F801說(shuō)明了超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)PWM信號(hào)產(chǎn)生方法。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電機(jī)測(cè)速的算法和頻率自動(dòng)跟蹤的算法并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)在線測(cè)速和實(shí)時(shí)頻率跟蹤。該自動(dòng)測(cè)速和頻率跟蹤算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，運(yùn)行效率高。在此基礎(chǔ)上，下一步可結(jié)合各種控制策略對(duì)超聲波電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制研究，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波電機(jī)運(yùn)行的高效實(shí)時(shí)控制。