萬志堅(jiān),張俊峰
(1. 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院,深圳 518055;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū),深圳 518055)
超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源是超聲波電動(dòng)機(jī)工作的能量來源,電機(jī)所需的電壓頻率在20 kHz以上,電壓幅值一般在100 V以上,是一種高頻高壓的電壓信號(hào),故需要專門設(shè)計(jì)。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路是超聲波電動(dòng)機(jī)性能的決定性因素之一。超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)不好,將導(dǎo)致電機(jī)的工作效率低下,甚至不能正常工作。目前,超聲波電動(dòng)機(jī)用驅(qū)動(dòng)控制器主要有直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)的驅(qū)動(dòng)控制器和超聲波電動(dòng)機(jī)典型的驅(qū)動(dòng)控制電路兩種[1-5]。DDS技術(shù)原理相對(duì)較復(fù)雜,開發(fā)難度較大,不利于產(chǎn)品化。相比而言,超聲波電動(dòng)機(jī)典型的驅(qū)動(dòng)控制電路使用較為廣泛,它可以根據(jù)特定的超聲波電動(dòng)機(jī)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì),從而可以做到較緊湊、電壓信號(hào)匹配性能好。不同類型的超聲波電動(dòng)機(jī),其驅(qū)動(dòng)電路一般有所不同,某些種類的超聲波電動(dòng)機(jī)需要正弦、余弦兩路甚至多路信號(hào)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。本文設(shè)計(jì)了一種體積較緊湊、性能較穩(wěn)定的超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器,實(shí)現(xiàn)了對(duì)面內(nèi)彎縱復(fù)合模態(tài)的直線超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的總體方案設(shè)計(jì)如圖1 所示,包括PC上位機(jī)、電源電路、主控電路、驅(qū)動(dòng)電路、超聲波電動(dòng)機(jī)(USM)、光電編碼器等。其中,主控電路由STM32F103芯片和其外圍電路構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)電路依次包括取反升壓電路、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、逆變放大電路、匹配電路4個(gè)模塊。
圖1 超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)總體方案設(shè)計(jì)
在上述方案中,首先在上位機(jī)中通過軟件按照要求設(shè)置好信號(hào)的相關(guān)參數(shù),諸如信號(hào)的頻率和相位、占空比等;隨后主控芯片根據(jù)這些參數(shù)設(shè)置輸出后續(xù)所需的兩路PWM波,再通過電路完成直流到交流的逆變、電壓信號(hào)的升壓、電路與超聲波電動(dòng)機(jī)的匹配等環(huán)節(jié),輸出兩路高頻高壓電壓信號(hào)(正弦、余弦信號(hào)),以實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。本文根據(jù)所設(shè)計(jì)的面內(nèi)彎縱復(fù)合模態(tài)直線超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)及實(shí)驗(yàn)要求,驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率調(diào)節(jié)范圍為20~50 kHz,電壓幅值調(diào)節(jié)范圍為100~300 V,兩相電壓信號(hào)相位可靈活調(diào)節(jié)。
電機(jī)在工作過程中,光電編碼器可以采集到位置和速度信息,并反饋給主控制芯片,隨后可通過控制程序進(jìn)行電機(jī)的位置和速度調(diào)節(jié)。上位機(jī)通過串口與主控芯片相連,其功能主要包括PWM波參數(shù)設(shè)定、電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息采集、電機(jī)運(yùn)動(dòng)的正反控制等。
超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電源電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。電源電路分兩路輸出:一路的輸出電壓為12V,提供給主控電路;另一路的輸出電壓在1.25~22 V之間,并且是可調(diào)的,以滿足逆變電路的需要。
圖2 電源電路設(shè)計(jì)框圖
首先,通過一個(gè)小型變壓器將220 V市電轉(zhuǎn)變?yōu)?4 V直流電,并分為兩個(gè)支路輸出。其中一個(gè)支路利用LM7812把24 V輸入轉(zhuǎn)換為+12 V輸出(供給主控電路);同時(shí),利用LM7805將+12 V電壓轉(zhuǎn)換為+5 V輸出電壓,給電源電路中的STC12C5A60S芯片供電。在另一支路中,利用可調(diào)輸出穩(wěn)壓芯片LM317將+24 V直流電轉(zhuǎn)換為+1.25 V至+22 V電壓信號(hào);同時(shí),采用STC12C5A60S芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣來進(jìn)行電壓信號(hào)的測(cè)定;利用雙電壓比較器LM393實(shí)現(xiàn)電路的過流檢測(cè),同時(shí)結(jié)合繼電器的使用,對(duì)電路進(jìn)行過流保護(hù)。電源電路圖如圖3所示。
圖3 電源電路圖
主控芯片STM32及輔助電路如圖4所示,包括核心處理芯片STM32F103、主控電源子模塊、通信子模塊、程序下載子模塊等。主控電路是驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵部分,它負(fù)責(zé)生成PWM波,并與上位機(jī)進(jìn)行通信。另外,主控電路還有電機(jī)動(dòng)子的速度測(cè)試、位置控制等功能。
圖4 主控芯片STM32及輔助電路
(1)主控電路電源子模塊:這里的電源子模塊是主控電路的動(dòng)力來源,為滿足主控電路中不同元器件的供電需要,需要分別提供3.3 V,5 V,12 V等三種供電電壓。主控芯片的供電電壓為3.3 V直流,此處依次采用了7805芯片和LM1117芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換:先將12 V直流電壓(主電源電路提供)轉(zhuǎn)換成5 V直流電壓,再將5 V直流電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V直流電壓。同時(shí),預(yù)留的5 V直流電輸出是后續(xù)驅(qū)動(dòng)電路所需要的。電路圖如圖5所示。
圖5 主控電路的電源子模塊
(2)程序下載子模塊:程序下載模塊是為了后續(xù)功能拓展研究的需要,可以根據(jù)功能拓展的需要編寫程序并下載到芯片STM32中。如圖6所示,此模塊使用了JTAG接口。因?yàn)橹骺匦酒琒TM32上的JTAG、SWD為共同使用的接口,所以可以在JTAG接口上通過SWD模式進(jìn)行程序下載等操作。
圖6 程序下載模塊電路圖
(3)通信模塊:通信模塊采用了RS-485接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)主控芯片與上位機(jī)之間的通信。RS-485需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換才能與主控芯片進(jìn)行相連。這里使用了MAX485來轉(zhuǎn)換電平,它采用5 V直流電壓供電、半雙工通信模式、傳輸速率最高為2.5 Mbit/s。電路如圖7所示。
圖7 通信模塊電路圖
(4)光耦隔離電路:為了超聲波電動(dòng)機(jī)控制的需要,在電機(jī)工作過程中,光電編碼器、限位開關(guān)等器件需要發(fā)送脈沖信號(hào)給主控芯片STM32。光耦隔離電路設(shè)計(jì)在脈沖器件與主控芯片之間,電路如圖8所示,它可以減少干擾和進(jìn)行信號(hào)整形。光耦由發(fā)光二極管與光敏元件組成,它是光耦隔離電路的關(guān)鍵元件,這里采用了PC817光耦元件。
圖8 光耦隔離模塊電路圖
驅(qū)動(dòng)電路有兩支并列的支路,驅(qū)動(dòng)電路中每一支逆變電路都需要兩路PWM波驅(qū)動(dòng),并且兩路PWM波需為互補(bǔ)波;另外,主控芯片輸出的PWM波的電壓為3.3 V,而逆變電路開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓為5 V。所以本電路采用了主控芯片STM32和51芯片( STC12C5201AD)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了取反升壓。在驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí),主控芯片STM32發(fā)出兩路可調(diào)制的PWM波(3.3 V),對(duì)于每一路PWM波,利用51芯片的外部中斷將每一路PWM波轉(zhuǎn)化為互補(bǔ)的兩路PWM波,同時(shí)輸出5 V高電平,連接開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路。取反升壓電路圖如圖9所示。
圖9 取反升壓電路圖
所述的超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需要高頻高壓的正弦、余弦信號(hào),所以需要利用逆變電路將低壓直流電(由主控電源子模塊提供)逆變成高壓交流電。這里采用了全橋式逆變電路。如圖10所示,逆變放大電路主要由4個(gè)開關(guān)管和1個(gè)變壓器組成。在互補(bǔ)的兩路PWM波信號(hào)的作用下,開關(guān)管1、3與2、4輪流導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換,然后再利用變壓器進(jìn)行升壓,得到后續(xù)所需的高頻率、高幅值的方波電壓。
圖10 逆變電路圖
上述電路工作時(shí),開關(guān)管在高頻情況下快速通斷。為了避免開關(guān)管快速通斷而損壞,這里設(shè)計(jì)了開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路,如圖11所示。本文采用IR2184S芯片作為開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路的核心器件。由于開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路能在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大電流,使得柵極和源極之間在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到所要求的電壓,從而消除電壓信號(hào)在由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)的高頻率振蕩。同時(shí),開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路還需要保障電壓的穩(wěn)定性。有、無驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)管輸出信號(hào)如圖12所示,圖12(a)為無驅(qū)動(dòng)電路時(shí)的輸出信號(hào),圖12(b)為有驅(qū)動(dòng)電路時(shí)的輸出信號(hào)??梢悦黠@看出,有驅(qū)動(dòng)電路的輸出信號(hào)改善了上升沿的高頻振蕩。
圖11 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路圖
(a) 無驅(qū)動(dòng)電路
(b) 有驅(qū)動(dòng)電路
4.3.1 變壓器設(shè)計(jì)
上述逆變電路獲得了電壓為15 V的高頻方波,由于超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓幅值通常在100 V以上,因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。為此,本文采用AP法設(shè)計(jì)了一個(gè)小功率的高頻脈沖變壓器,由于篇幅所限,在此不再詳述。變壓器的參數(shù)設(shè)定如表1所示,變壓器設(shè)計(jì)結(jié)果如表2所示。需要說明是,由于逆變電路開關(guān)管的交替導(dǎo)通,變壓器輸出電壓值為400 V/2=200 V。
表1 變壓器性能參數(shù)
表2 變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)
4.3.2 吸收電路
根據(jù)上述設(shè)計(jì)制作的變壓器,可能會(huì)因?yàn)樽儔浩鞯睦@組問題而出現(xiàn)漏感。在這種情況下,變壓器工作時(shí),在開關(guān)管通、斷的瞬間將出現(xiàn)電壓尖峰。電壓尖峰會(huì)導(dǎo)致MOSFET管發(fā)熱甚至燒壞。為了解決這個(gè)問題,在變壓器輸入側(cè)和輸出側(cè)各連接一個(gè)電容元件,這樣可以有效地吸收電壓尖峰,形成尖峰電壓的吸收電路。
圖13為輸出信號(hào)對(duì)比。圖13(a)為無吸收電路的輸出信號(hào),圖13(b)為有吸收電路的輸出信號(hào)。很明顯,吸收電路消除了電壓尖峰。
(a) 無吸收電路
(b) 有吸收電路
超聲波電動(dòng)機(jī)的典型驅(qū)動(dòng)電路中一般都會(huì)設(shè)計(jì)匹配電路[6]。原因包括兩個(gè)方面:一方面,超聲波電動(dòng)機(jī)的定子是電容性的,會(huì)有無功耗損率,為了降低無功耗損率,在驅(qū)動(dòng)電路中就需要設(shè)計(jì)匹配電路,進(jìn)行阻抗匹配;另一方面,由于逆變電路采用開關(guān)管技術(shù),信號(hào)中會(huì)有比較多的高頻率雜波。由于超聲波電動(dòng)機(jī)是依靠定子的特定振動(dòng)模態(tài)工作的,而高頻雜波有可能會(huì)激發(fā)出定子的無關(guān)模態(tài),從而使超聲波電動(dòng)機(jī)的性能下降,甚至不能工作。阻抗匹配則可以有效地過濾掉高頻率的雜波,從而保證超聲波電動(dòng)機(jī)所需的特定頻率信號(hào)。這里選用了串聯(lián)電感實(shí)現(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)阻抗匹配[7-9]。
圖14 超聲波電動(dòng)機(jī)定子的等效電學(xué)模型
圖14為超聲波電動(dòng)機(jī)定子的等效電學(xué)模型[6-7]。其中,Lm為電機(jī)等效電感;Rm為電機(jī)等效電阻;Cm為電機(jī)等效電容,Cd為電路中的夾持電容。假定電機(jī)在理想諧振狀態(tài)下工作,此時(shí),ωmLm=1/(ωmCm),電機(jī)等效電路中RCL串聯(lián)支路僅存在電阻R。在串聯(lián)匹配電路中,設(shè)串聯(lián)電感為L(zhǎng),則系統(tǒng)的阻抗:
(1)
為了使系統(tǒng)阻抗Z呈現(xiàn)純阻抗,有:
(2)
串聯(lián)電感L:
(3)
其中一個(gè)支路的串聯(lián)電感匹配電路如圖15所示,其中虛線框內(nèi)為超聲波電動(dòng)機(jī)的等效電路,在實(shí)際中,可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取適當(dāng)?shù)碾姼兄?,以獲得所需的信號(hào)波形。
圖15 支路串聯(lián)電感匹配電路
如圖16所示,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括PC機(jī)、電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波電動(dòng)機(jī)樣機(jī)、示波器、壓力傳感器等組成。其中,超聲波電動(dòng)機(jī)樣機(jī)為面內(nèi)彎縱復(fù)合模態(tài)的直線超聲微電機(jī)。
圖16 超聲波電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
根據(jù)前述超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理,制作的電路板如圖17和圖18所示。圖17的電源電路板為整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)提供電力。圖18為超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路板,它集成了主控電路、取反升壓電路、開關(guān)管電路、逆變升壓電路、匹配電路等模塊,產(chǎn)生電機(jī)所需要的高頻高壓的正弦、余弦兩相驅(qū)動(dòng)信號(hào),驅(qū)動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。
圖17 電源電路板
圖18 超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路板
根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用的超聲波電動(dòng)機(jī)電壓信號(hào)要求,驅(qū)動(dòng)電壓頻率約為38.43 kHz,電壓幅值需為100 V至200 V可調(diào),電壓信號(hào)的相位可調(diào)。圖19為主控芯片STM32輸出的兩路PWM信號(hào),頻率為38.43 kHz,相位差為90°,電壓為3.3 V。圖20為逆變電路輸出的A相、B相兩路信號(hào),電壓幅值12 V,相位差為90°,其他參數(shù)同前。圖21為驅(qū)動(dòng)電路的最終輸出的正弦、余弦信號(hào),電壓幅值為200 V,其他參數(shù)同前。經(jīng)過調(diào)試,所設(shè)計(jì)的超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的各模塊運(yùn)行正常,整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,輸出信號(hào)波形好,雜波少,完全滿足了面內(nèi)彎縱復(fù)合模態(tài)直線超聲波電動(dòng)機(jī)的工作要求,電機(jī)工作正常。
圖19 主控芯片STM32輸出PWM波
(a) A相信號(hào)
(b) B相信號(hào)
圖21 驅(qū)動(dòng)電路的最終輸出信號(hào)
超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的信號(hào)頻率較高(超聲波頻率),電壓也較高,一般要求峰峰值在100 V以上。為了超聲波電動(dòng)機(jī)的正常工作,需要設(shè)計(jì)超聲波電動(dòng)機(jī)專用的驅(qū)動(dòng)電路。電路設(shè)計(jì)如下:
(1) 需要設(shè)計(jì)電源電路,將220 V市電通過變壓等過程得到24 V直流電,然后再次變壓,并分成兩路電壓輸出,分別為主控電路和逆變電路供電。
(2) 在主控電路中,STM32芯片產(chǎn)生兩路PWM波提供給取反升壓電路。利用51芯片的外部中斷將每一路PWM波轉(zhuǎn)化為互補(bǔ)的兩路PWM波。
(3)在互補(bǔ)的兩路PWM波信號(hào)的作用下,利用4個(gè)開關(guān)管兩兩輪流導(dǎo)通,實(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換,然后再利用變壓器進(jìn)行升壓,得到后續(xù)所需的高頻率、高幅值的方波電壓。
(4)結(jié)合超聲波電動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性,通過匹配電路,實(shí)現(xiàn)了面內(nèi)彎縱復(fù)合模態(tài)的直線超聲微電機(jī)的正弦、余弦兩相驅(qū)動(dòng)。
該驅(qū)動(dòng)電路也可用于其他需要兩相驅(qū)動(dòng)的超聲波電動(dòng)機(jī)。為了后續(xù)的超聲波電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研究,在主控電路中還設(shè)計(jì)了程序下載模塊、通信模塊、光耦隔離電路等。