王鋒良，楊 明

(上海交通大學(xué)，上海200240)

0 引 言

超聲波電動(dòng)機(jī)是一種新型電機(jī)，它利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體(定子)在超聲頻段內(nèi)的微幅振動(dòng)，并通過(guò)定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用將振動(dòng)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)或動(dòng)子的直線運(yùn)動(dòng)，輸出功率帶動(dòng)負(fù)載［1］。超聲波電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比具有低速、大轉(zhuǎn)矩、無(wú)電磁干擾、斷電自鎖及結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防、醫(yī)療、精密微動(dòng)機(jī)構(gòu)、工業(yè)控制、對(duì)磁干擾敏感的設(shè)備、機(jī)器人工業(yè)、高檔汽車等領(lǐng)域［2］。根據(jù)壓電激勵(lì)模式、結(jié)構(gòu)形式、電機(jī)功能和應(yīng)用場(chǎng)合，可以將超聲波電動(dòng)機(jī)分成不同的種類［3］，而行波型電機(jī)以其優(yōu)越的性能和廣泛的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的關(guān)注，本文所做研究就是針對(duì)這種行波型超聲波電動(dòng)機(jī)。

CompactRIO是由National Instruments(簡(jiǎn)稱NI)推出的具有極高實(shí)時(shí)性的嵌入式控制與采集平臺(tái)，適用于可靠的獨(dú)立式或分布式應(yīng)用系統(tǒng)，為高級(jí)控制和監(jiān)控應(yīng)用領(lǐng)域提供了理想的解決方案［4］。CompactRIO提供了一個(gè)開放的嵌入式架構(gòu)，包括內(nèi)置的嵌入式控制器、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、可編程FPGA以及小型、堅(jiān)固且可熱插拔的工業(yè)I/O模塊。該嵌入式系統(tǒng)可以使用高效的LabVIEW圖形化編程工具進(jìn)行開發(fā)，從而快速實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制系統(tǒng)的自定義設(shè)計(jì)。

本文用CompactRIO嵌入式系統(tǒng)和強(qiáng)大的Lab-VIEW圖形化編程工具，設(shè)計(jì)了一種超聲波電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)室的超聲致動(dòng)血泵進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，開發(fā)周期短，控制效果好，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能

超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要兩相具有一定相位差的高頻高壓正弦信號(hào)，頻率一般在20～100 kHz，幅度為幾十伏甚至幾百伏。超聲波電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方式主要有調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種。本系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，CompactRIO作為主控平臺(tái)，用其FPGA模塊產(chǎn)生兩路頻率和相位差可調(diào)的方波信號(hào)，并通過(guò)C系列I/O模塊輸出到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路將信號(hào)進(jìn)行功率放大和升壓匹配之后驅(qū)動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)。速度檢測(cè)單元用光電電碼盤對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，然后反饋給CompactRIO平臺(tái)。CompactRIO的實(shí)時(shí)控制器把測(cè)得的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成速度信號(hào)，一方面用于顯示，另一方面用于實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的閉環(huán)控制。PC端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享變量技術(shù)與CompactRIO通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

前文所述，超聲波電動(dòng)機(jī)需要峰峰值達(dá)幾十伏到幾百伏的正弦波電壓驅(qū)動(dòng)，而通常用于驅(qū)動(dòng)電路的是直流電源，這就需要功率變換和升壓匹配。常用的功率變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有推挽型、半橋型、和全橋型三種。全橋型變換器既保持有半橋型電路中開關(guān)管截止時(shí)漏源極間所承受的電壓較推挽型低的特點(diǎn)，又有推挽型電路所具有的輸出電壓高、功率大的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是電路較復(fù)雜。然而，現(xiàn)在市場(chǎng)上有許多現(xiàn)成的可供選擇的四電橋電源驅(qū)動(dòng)管理芯片，某種程度上反而減輕了電路的復(fù)雜度。

UCC3895是TI公司生產(chǎn)的PWM移相全橋控制芯片，它是 UC3875(79)的改進(jìn)型，除具有UC3875(79)功能外，還增加了自適應(yīng)死區(qū)設(shè)置，以適應(yīng)負(fù)載變化時(shí)不同的準(zhǔn)諧振開關(guān)要求;另外還增加了PWM軟關(guān)斷能力。由于采用了BCDMOS工藝，使得它的功耗更小，工作頻率更高，更加符合電子裝置高效率、高頻率、高可靠的發(fā)展要求［5］。

本驅(qū)動(dòng)電路選用全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以UCC3895為主控芯片設(shè)計(jì)而成，驅(qū)動(dòng)電路整體框圖如圖2所示。CompactRIO產(chǎn)生的兩路頻率信號(hào)，分別送給兩塊UCC3895的同步信號(hào)輸入端，經(jīng)過(guò)UCC3895內(nèi)部電路的作用，分別產(chǎn)生全橋拓?fù)渌璧乃穆房刂菩盘?hào)。為了增加電路的抗干擾能力，控制模塊與功率模塊之間必須隔離，本電路采用高速光耦隔離芯片HCPL－2630進(jìn)行電氣隔離。MOSFET管的驅(qū)動(dòng)采用IR公司推出的高性能集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2110，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。由于全橋逆變產(chǎn)生的是高頻方波，經(jīng)過(guò)脈沖變壓器的升壓匹配之后才能驅(qū)動(dòng)超聲波電動(dòng)機(jī)。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路

3 基于CompactRIO平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 CompactRIO硬件平臺(tái)簡(jiǎn)介

圖3 CompactRIO基本組成

NI CompactRIO硬件平臺(tái)是一個(gè)基于FPGA技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)，包含一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)控制器和一個(gè)可重復(fù)配置I/O FPGA核的底板，F(xiàn)PGA核可提高專用硬件電路可靠性和硅片上并行執(zhí)行性能，嵌入式實(shí)時(shí)控制器用于獨(dú)立和分布式實(shí)時(shí)操作。圖3描述了CompactRIO平臺(tái)的基本構(gòu)成，根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)建需求，可以選擇不同的I/O模塊，其內(nèi)置可直接和傳感器/調(diào)節(jié)器連接的信號(hào)調(diào)理。

3.2 CompacRIO 軟件設(shè)計(jì)

NI CompactRIO開發(fā)的系統(tǒng)程序主要包括上位機(jī)程序、RT程序和FPGA程序三個(gè)部分。上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與下位機(jī)通信，RT程序在LabVIEW Real－Time實(shí)時(shí)環(huán)境下編寫，F(xiàn)PGA程序要借助LabVIEW FPGA Module來(lái)編寫，是最底層的程序，它主要完成對(duì)I/O采集模塊的低層配置，程序編寫時(shí)將代碼編譯成CompactRIO硬件設(shè)備上可運(yùn)行的程序［6］，其軟件構(gòu)架如圖4所示。

圖4 NI CompactRIO的軟件架構(gòu)

FPGA程序運(yùn)行于FPGA底板，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)I/O功能、基于硬件的定時(shí)與觸發(fā)、較低水平的信號(hào)處理以及控制。本文用FPGA程序?qū)崿F(xiàn)兩相頻率信號(hào)的產(chǎn)生、輸出移相控制電壓和碼盤信號(hào)的頻率測(cè)量。兩相頻率信號(hào)的產(chǎn)生是通過(guò)FPGA自帶的方波發(fā)生函數(shù)(圖5)產(chǎn)生，該函數(shù)利用直接數(shù)字合成技術(shù)(DDS)，并基于40 MHz的FPGA時(shí)鐘頻率產(chǎn)生實(shí)時(shí)的頻率。該時(shí)鐘最高可配置為200 MHz，輸出方波的頻率、相位差，占空比都可以直接由輸入端口配置。

圖5 方波發(fā)生函數(shù)

RT程序運(yùn)行于實(shí)時(shí)控制器上，它的主要功能是數(shù)據(jù)處理、控制和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。RT程序是整個(gè)平臺(tái)的核心，它一方面通過(guò)交互式前面板與FPGA程序通訊，另一方面通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享變量技術(shù)與上位機(jī)程序通訊。網(wǎng)絡(luò)共享變量技術(shù)是LabVIEW為簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)編程而提出的，通過(guò)共享變量，用戶可以在不同的計(jì)算機(jī)上的VI之間、本地不同VI或同一個(gè)程序框圖的不同循環(huán)之間交換數(shù)據(jù)。本文的RT程序主要用來(lái)相關(guān)的浮點(diǎn)運(yùn)算、PID控制算法、以及與FPGA和上位機(jī)通訊等功能。

上位機(jī)程序運(yùn)行于PC端，主要功能是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)、提供用戶界面以及高級(jí)控制。本文的PC程序主要用來(lái)速度顯示、相關(guān)參數(shù)設(shè)定、電機(jī)控制等功能，設(shè)計(jì)的PC端主界面如圖6所示。

圖6 程序主界面

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，本文采用本實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)的超聲波致動(dòng)血泵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，包括在開環(huán)狀態(tài)下和閉環(huán)狀態(tài)下的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 開環(huán)測(cè)試

本系統(tǒng)主要采用調(diào)頻和調(diào)相控制策略，在開環(huán)狀態(tài)下，測(cè)得的頻率特性曲線如圖8所示。從圖中可以看出，超聲波電動(dòng)機(jī)諧振頻率在41 kHz附近，在諧振頻率左側(cè)曲線很陡，不適合用來(lái)調(diào)速，而右側(cè)較平滑，故適合調(diào)速。

調(diào)節(jié)兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位差，可以調(diào)節(jié)超聲波電動(dòng)機(jī)定子齒上的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，圖9是在頻率為42 kHz、峰峰值Vpp=420 V的情況下測(cè)得頻率－轉(zhuǎn)速曲線，呈現(xiàn)類正弦變化特征。從圖上還可以發(fā)現(xiàn)，特性曲線存在一定的死區(qū)，大概為20°，相位差從90°～20°逐步變化時(shí)，超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸減小，而轉(zhuǎn)子的蠕動(dòng)現(xiàn)象不會(huì)明顯增加，但小于20°時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)有明顯的蠕動(dòng)，并很快進(jìn)入死區(qū)［7］。

4.2 閉環(huán)測(cè)試

超聲波電動(dòng)機(jī)目前還沒有精確的數(shù)學(xué)模型，只能通過(guò)閉環(huán)來(lái)控制，而工程中常用的PID控制方法不需要知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，故適合于超聲波電動(dòng)機(jī)的速度閉環(huán)控制。反饋環(huán)節(jié)與閉環(huán)控制的性能優(yōu)劣有直接關(guān)系，本設(shè)計(jì)用2 048 p/r光電編碼器用來(lái)測(cè)量電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，保證了速度測(cè)量的精度。為了測(cè)試系統(tǒng)的控制性能，分別進(jìn)行了調(diào)頻PID控制和調(diào)相PID控制，并與開環(huán)狀態(tài)下直接改變頻率的速度波形進(jìn)行了比較。圖10是在開環(huán)狀態(tài)下直接改變頻率得到的速度波形，圖11是調(diào)相PID控制下改變目標(biāo)速度值后的實(shí)際速度波形，圖12是調(diào)頻PID控制下改變目標(biāo)速度值后的速度波形。經(jīng)比較可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)相PID控制波形穩(wěn)定，但是跟蹤速度較慢，調(diào)頻PID控制跟蹤速度很快，但速度有較大的波動(dòng)。由此可見，如果既要跟蹤速度快又要速度波動(dòng)小，調(diào)頻和調(diào)相的復(fù)合控制可能是個(gè)不錯(cuò)的選擇，這有待于進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于CompactRIO的超聲波電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，使用強(qiáng)大的圖形化編程語(yǔ)言Lab-VIEW對(duì)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)開發(fā)周期短，運(yùn)行可靠，速度控制方式靈活，并且利用網(wǎng)絡(luò)共享變量技術(shù)，可以輕松的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)適合用作超聲波電動(dòng)機(jī)控制研究的平臺(tái)以及需要遠(yuǎn)程監(jiān)控超聲波電動(dòng)機(jī)運(yùn)行等場(chǎng)合。

［1］ 段志杰，李千，吳華德，等.超聲電機(jī)用壓電材料的研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2008，22(6):24 －26.

［2］ 李有光，陳在禮，郝銘，等.基于全橋移相策略的行波超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械與電子，2007(10):18－19.

［3］ Huang Sujuan，Xu Zhike，Jin Long，et al.Research on Control of Ultrasonic Motor Based on Virtual Instrument［C］//Proceedings of the International Conference on Electrical Machines and Systems.2008:3632－3635.

［4］ Getting Started with CompactRIO and LabVIEW［EB/OL］.http://www.ni.com.

［5］ 張哲，張純江，沈虹.新型移相控制器UCC3895的應(yīng)用研究［J］.電力電子技術(shù)，2005，39(3):64 －65.

［6］ 劉禎.基于CompactRIO的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)的研究［D］.南京:南京林業(yè)大學(xué)，2010.

［7］ 胡敏強(qiáng)，金龍，顧菊平.超聲波電機(jī)原理與設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社，2005:142－142.