宋勇宏，王中營(yíng)，秦鴻飛，郭永剛

(河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450001)

0 引 言

超聲波電動(dòng)機(jī)利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)定子產(chǎn)生超聲波微幅振動(dòng)，并通過(guò)定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦力轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的宏觀(guān)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)負(fù)載[1]。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，超聲波電動(dòng)機(jī)具有響應(yīng)快、體積小、自鎖性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造、生物醫(yī)療、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)作為直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)裝置受到了廣泛應(yīng)用和研究，市場(chǎng)上出現(xiàn)的直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)種類(lèi)也越加豐富，對(duì)直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用要求也越來(lái)越高，隨之而來(lái)的直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)研究受到了人們的廣泛關(guān)注[2-3]。

早期受制于技術(shù)條件，直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)速度測(cè)量普遍采用的是米尺測(cè)量和秒表同步計(jì)時(shí)的方法，這種測(cè)量方法存在較大的誤差，且不能直觀(guān)地顯示結(jié)果[4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬儀器在工程測(cè)試中被廣泛使用，研究人員開(kāi)始利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)[5-7]。采用虛擬儀器與數(shù)據(jù)采集卡或者虛擬儀器與單片機(jī)的組合設(shè)計(jì)方案，借助計(jì)算機(jī)通過(guò)虛擬面板實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和系統(tǒng)的控制，并且能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和保存，對(duì)后期設(shè)備的使用、開(kāi)發(fā)有很大的幫助，與傳統(tǒng)測(cè)量相比具有很大的優(yōu)勢(shì)[8-11]。

隨著直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，超聲波電動(dòng)機(jī)測(cè)試需求也在逐漸增多。對(duì)于直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)速度測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)也越來(lái)越要求通用性和經(jīng)濟(jì)性?；跀?shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)的速度測(cè)試系統(tǒng)成本普遍偏高，不利于其推廣使用。針對(duì)這一特點(diǎn)，本文利用虛擬儀器和市面上常見(jiàn)的STM32微處理器組合，設(shè)計(jì)一款集數(shù)據(jù)采集、處理、保存于一體的速度測(cè)試系統(tǒng)，為超聲波電動(dòng)機(jī)速度測(cè)試提供了一種新的選擇。

1 測(cè)試原理

本文設(shè)計(jì)的超聲波電動(dòng)機(jī)速度測(cè)試系統(tǒng)原理是通過(guò)采集設(shè)定時(shí)間內(nèi)的兩次位置變化，通過(guò)位移與時(shí)間的比值得到速度。

整體設(shè)計(jì)原理如圖1所示。首先激光位移傳感器捕獲直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的位置信號(hào)，隨后模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將位移傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，STM32微處理器控制模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，完成一定時(shí)間間隔的兩次位置信號(hào)采集，并通過(guò)串口通訊模塊將兩次位置信號(hào)傳輸?shù)絇C機(jī)，最后基于LabVIEW軟件編制的虛擬儀器完成數(shù)據(jù)處理、顯示和保存。

圖1 測(cè)試原理圖

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件組成

測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)備主要有直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)、激光位移傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、STM32F103微處理器和PC機(jī)。其中激光位移傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和STM32F103微處理器是該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位移信號(hào)采集功能的核心硬件設(shè)備。

2.1 激光位移傳感器

位移傳感器選用德國(guó)SICK公司的高精度三角反射式激光位移傳感器OD1-B035H15U25，傳感器量程30 mm，采樣頻率2 kHz，重復(fù)精度6 μm。

為了降低傳感器的測(cè)量誤差，要對(duì)傳感器的實(shí)際值和采樣值進(jìn)行擬合。位移傳感器的擬合是通過(guò)傳感器自帶的位移顯示功能和電壓表測(cè)量的輸出信號(hào)的實(shí)際電壓值進(jìn)行擬合。在傳感器量程范圍內(nèi)每毫米采集一個(gè)位移值和對(duì)應(yīng)的電壓值，得到的數(shù)據(jù)利用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。擬合結(jié)果對(duì)比如表1所示。擬合后的距離和電壓之間的關(guān)系：

LV=0.002 566U-10.51

式中：LV的單位為mm，U的單位為mV。

2.2 STM32F103ZET6微控制器

STM32F103ZET6是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款基于A(yíng)RM Cortex TM-M3內(nèi)核的32位高性能微處理器，其內(nèi)部集成多個(gè)功能模塊，并且提供了幾乎包含所有內(nèi)外設(shè)功能的固件函數(shù)庫(kù)，可大幅降低開(kāi)發(fā)周期。

表1 擬合結(jié)果對(duì)比

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

STM32微處理器自有的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口較少，且轉(zhuǎn)換電壓較低，為提高測(cè)試系統(tǒng)通用性，采用AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。AD7606硬件電路圖如圖2所示。

圖2 AD7606模塊硬件電路圖

該芯片是ADI公司推出的一款高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片具有8通道16位高精度同步采樣功能，最高同步采樣速率可達(dá)200 kHz，片上集成二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)核、高速串行和并行接口、且支持±5 V和±10 V兩種信號(hào)輸入，滿(mǎn)足目前大多數(shù)傳感器的模擬輸出信號(hào)范圍。

3 測(cè)試系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要由下位機(jī)測(cè)試程序和上位機(jī)測(cè)試程序組成。下位機(jī)測(cè)試程序運(yùn)行在STM32微處理器中，上位機(jī)測(cè)試程序通過(guò)LabVIEW圖形化編程，在PC機(jī)中運(yùn)行。

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序主要包括對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的控制和數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。通過(guò)控制AD7606模塊完成固定時(shí)間內(nèi)的兩次位移信號(hào)采集并發(fā)送。為便于上位機(jī)解析數(shù)據(jù)，在發(fā)送的每組數(shù)據(jù)前后添加固定的幀頭和幀尾，方便上位機(jī)通過(guò)幀頭幀尾解析數(shù)據(jù)。下位機(jī)測(cè)試系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 下位機(jī)程序流程圖

下位機(jī)程序的重點(diǎn)是控制AD7606芯片完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，AD7606使用并行模式與STM32F103ZET6微處理器完成數(shù)據(jù)傳輸，圖4為AD7606芯片并行模式工作時(shí)序圖。AD7606芯片RESET引腳接收高電位初始化復(fù)位信號(hào)；CONVST_A和CONVST_B引腳接收到上升沿信號(hào)后開(kāi)啟模數(shù)轉(zhuǎn)換通道；當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后BUSY引腳由高電位轉(zhuǎn)為低電位。STM32F103微處理器通過(guò)檢測(cè)BUSY引腳電位判斷采集是否完成，CS、RD引腳接收到下降沿信號(hào)后通過(guò)16位數(shù)據(jù)端口逐一讀取每個(gè)通道的數(shù)據(jù)。

圖4 AD7606并行模式時(shí)序圖

圖4中，RESET高電平復(fù)位脈沖最短時(shí)間tRESET為40 ns；復(fù)位脈沖下降沿至CONVST_A的上升沿最短時(shí)間t7為25 ns；轉(zhuǎn)換通道開(kāi)啟CONVST_A和CONVST_B之間的最大時(shí)間間隔t5為0.5 ms；轉(zhuǎn)換通道開(kāi)啟CONVST_x到BUSY上升沿最大時(shí)間t1為40 ns；BUSY高電位持續(xù)時(shí)間tconv為3.45 μs到4.15 μs；BUSY下降沿至CS下降沿時(shí)間t4為0；CS至RD設(shè)置時(shí)間t8為0；從CS至DB[15∶0]三態(tài)禁用延時(shí)時(shí)間t13最大為16 ns；RD高電位脈沖寬度最短時(shí)間t12為15 ns；V1至V8為8個(gè)通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。測(cè)試系統(tǒng)只用到了端口1，CONVST_A和CONVST_B為分別開(kāi)啟1至4號(hào)和5至8號(hào)端口。AD7606工作在并行模式下STM32F103ZET6微處理器程序如下：

//AD7606復(fù)位

RESET Reset;

Delay_ns(10);

RESET Set;

Delay_ns(100);

RESET Reset;

//啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

CONVST_A Reset;

Delay_ns(100);

CONVST_A Set;

//檢測(cè)轉(zhuǎn)換是否完成

BUSY=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_7);

While(BUSY==Bit_SET)

{

Delay_ns(20);

BUSY=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_7);

}

//數(shù)據(jù)讀取

CS Reset;

RD Reset;

Delay_ns(20);

RD Set;

Delay_ns(20)；

DATA[0]=GPIO_ReadInputData(GPIOF);

CS Set;

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

在開(kāi)啟上位機(jī)軟件后首先對(duì)串口參數(shù)進(jìn)行配置。當(dāng)串口打開(kāi)后讀取串口接收到的數(shù)據(jù)。串口接收到數(shù)據(jù)并存入緩沖區(qū)后，通過(guò)數(shù)據(jù)的幀頭、幀尾拆分?jǐn)?shù)據(jù)，得到的傳感器值首先進(jìn)行濾波處理，然后通過(guò)公式轉(zhuǎn)化為距離值和速度值，處理后的結(jié)果在前面板進(jìn)行顯示并保存。根據(jù)上述功能需要，上位機(jī)測(cè)試程序主要包括串口配置、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理三個(gè)模塊，如圖5所示。

圖5 上位機(jī)程序結(jié)構(gòu)框圖

串口配置模塊負(fù)責(zé)上位機(jī)與下位機(jī)的通訊。LabVIEW提供了功能強(qiáng)大的VISA庫(kù)，在儀器編程標(biāo)準(zhǔn)I/O接口上的使用很方便，適用于RS-232、RS-485等多種類(lèi)型接口，串口配置的設(shè)置遵循上位機(jī)與下位機(jī)一致的原則。圖6為串口配置程序圖。

圖6 串口配置程序圖

數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)接收串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過(guò)檢測(cè)緩存區(qū)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度來(lái)判斷數(shù)據(jù)是否有效。下位機(jī)發(fā)送一組數(shù)據(jù)共10個(gè)字節(jié)，其中包括：判斷數(shù)據(jù)開(kāi)始位和結(jié)束位的1個(gè)字節(jié)幀頭、1個(gè)字節(jié)幀尾和占據(jù)8個(gè)字節(jié)的兩次電壓值。圖7為數(shù)據(jù)接收程序圖。

圖7 數(shù)據(jù)接收程序圖

當(dāng)數(shù)據(jù)接收模塊判斷接收到的數(shù)據(jù)有效時(shí)，將進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊。在采樣和傳輸過(guò)程中不可避免地存在一定的干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)具有一定的誤差，且接收到的電壓值需要轉(zhuǎn)換為距離值，因此要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和計(jì)算。

速度的濾波選擇LabVIEW的中值濾波器，濾波器的秩設(shè)置為9。中值濾波是基于排序統(tǒng)計(jì)原理的濾波方法，通過(guò)一點(diǎn)領(lǐng)域的中值來(lái)代替該點(diǎn)值，使結(jié)果更加接近真實(shí)值。對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和保存。圖8為數(shù)據(jù)處理和保存程序圖。

圖8 數(shù)據(jù)處理程序圖

電機(jī)速度是利用位移與時(shí)間的比值得到；通過(guò)采集到的一組數(shù)據(jù)中的兩個(gè)距離值，利用以下公式求得速度：

式中：Vn為電機(jī)速度；Sn和Sn-1為電機(jī)n時(shí)刻和n-1時(shí)刻的距離值；T為設(shè)定的兩次采樣間隔時(shí)間。

4 測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)被測(cè)直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)為課題組設(shè)計(jì)的一款柱狀直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)，圖9為電機(jī)實(shí)物圖。在驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率79.4 kHz、兩相相位差90°的條件下，測(cè)試電機(jī)的機(jī)械特性。其中電機(jī)負(fù)載能力測(cè)試采用電機(jī)提升不同質(zhì)量砝碼的方法。圖10為直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性測(cè)試實(shí)物圖。圖11為電機(jī)負(fù)載能力測(cè)試實(shí)物圖。

圖9 電機(jī)實(shí)物圖

圖10 直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性測(cè)試實(shí)物圖

圖11 電機(jī)負(fù)載能力測(cè)試實(shí)物圖

圖12為柱狀直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)在不同電壓驅(qū)動(dòng)下的速度響應(yīng)曲線(xiàn)圖。圖13為130 V電壓驅(qū)動(dòng)下柱狀超聲波電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力曲線(xiàn)圖。由測(cè)量結(jié)果可知，該柱狀超聲波電動(dòng)機(jī)在空載下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到190 V時(shí)，電機(jī)速度為1.26 mm/s；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為130 V時(shí)，電機(jī)的最大輸出力為1.2 N。

圖12 電壓調(diào)節(jié)特性曲線(xiàn)圖

圖13 負(fù)載能力曲線(xiàn)圖

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)速度測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本高的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款基于LabVIEW的低成本直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)速度測(cè)試系統(tǒng)，利用STM32微處理器和AD7606模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片代替了昂貴的數(shù)據(jù)采集卡。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合和濾波處理提高了測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，測(cè)試精度較高。

該測(cè)試系統(tǒng)硬件可擴(kuò)展其他設(shè)備，為今后直線(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的其他性能測(cè)試和進(jìn)一步研究提供了通用、穩(wěn)定的低成本測(cè)試平臺(tái)。