俞 浦，李華峰，宋海軍，李 杰

(1.中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431;2.南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016)

0 引 言

超聲波電動機(jī)(以下簡稱USM)是一種具有全新概念的新型微特電機(jī)，與傳統(tǒng)電磁電機(jī)工作原理不同，它沒有電樞繞組和磁路，也不是依靠電磁原理來轉(zhuǎn)換能量，而是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，使定子振動在超聲頻域內(nèi)，通過定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦來獲得驅(qū)動力［1－4］。由于工作原理特殊，與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比，USM具有諸如低速大轉(zhuǎn)矩、慣性小、響應(yīng)快、噪聲小、易控制、斷電自鎖和不受磁場影響等優(yōu)點(diǎn)，因而受到廣泛關(guān)注，在微機(jī)電系統(tǒng)、納米技術(shù)、軍工、機(jī)器人、生物學(xué)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、航空航天、辦公自動化等領(lǐng)域展現(xiàn)出很大的應(yīng)用潛力和優(yōu)勢。但是，驅(qū)動超聲波電動機(jī)往往需要配備專用的驅(qū)動器，超聲波電動機(jī)對驅(qū)動信號有著較高的要求，目前國內(nèi)外開發(fā)的超聲波電動機(jī)的驅(qū)動器及控制電路普遍存在電路體積大，調(diào)速手段單一(調(diào)頻調(diào)速)等問題，為了更好地利用好超聲波電動機(jī)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使其在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，必須在提高驅(qū)動器功能的同時(shí)，盡可能減小驅(qū)動器的體積［5］。采用目前市面上流行的MSP430芯片，針對TRUM60型電機(jī)，開發(fā)了一種高性能的超聲波電動機(jī)新型驅(qū)動器。它將一部分驅(qū)動控制電路整合到MSP430中，縮小了驅(qū)動器體積，同時(shí)增加了調(diào)壓調(diào)速的功能，提高了驅(qū)動器性能。

1 MSP430系列單片機(jī)概述

美國 TI公司的 MSP430［6－7］系列單片機(jī)是一種超低功耗特性的高性能單片機(jī)，它將各種外圍資源集中在片上，實(shí)現(xiàn)了片上系統(tǒng)，從而大大簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。MSP430采用了16位的RISC架構(gòu)，內(nèi)部具有豐富的功能模塊，集成了多通道10至14位的A/D轉(zhuǎn)換器、雙路12位D/A轉(zhuǎn)換器、比較器、電源電壓檢測、串行口USART(UART/SPI)硬件乘法器、Flash存儲器、看門狗定時(shí)器及多個(gè)16位、8位定時(shí)器等功能模塊。這些功能可以滿足目前超聲波電動機(jī)驅(qū)動器對單片機(jī)的各種需求，簡單可靠，并為以后超聲波電動機(jī)驅(qū)動器功能的拓展和完善留下充足接口。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

為滿足超聲波電動機(jī)對驅(qū)動控制器的要求，提出了如圖1所示的設(shè)計(jì)方案，采用MSP430F16X系列的MSP430F169單片機(jī)作為控制核心設(shè)計(jì)了新型驅(qū)動器。MSP430控制自制的超聲波電動機(jī)專用驅(qū)動芯片PDL1220產(chǎn)生四路頻率可調(diào)的PWM波，驅(qū)動推挽電路的開關(guān)管工作，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)起停、正反轉(zhuǎn)及調(diào)頻調(diào)速的功能。在推挽逆變電路之前，增加了Boost升壓電路，通過調(diào)整MSP430輸出PWM波的占空比，實(shí)現(xiàn)Boost電路輸出電壓的調(diào)節(jié)，從而改變驅(qū)動器最終的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)壓調(diào)速的功能。匹配電路采用常用的串聯(lián)電感匹配，同時(shí)增加了Boost電路輸出電壓反饋和孤極電壓反饋兩個(gè)反饋電路，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 驅(qū)動器硬件框圖

2.2 主電路部分設(shè)計(jì)

驅(qū)動器主電路部分如圖 2所示，它由Boost電路和推挽電路級聯(lián)組成。輸入電壓首先經(jīng)Boost電路升壓后，再由推挽電路升壓逆變，最后加至超聲波電動機(jī)使其工作。

升壓電路采用Boost設(shè)計(jì)方案，電路設(shè)計(jì)參數(shù)如下:輸入電壓12 V(DC);輸出電壓15～45 V(可調(diào));工作頻率100 kHz;電源的輸出濾波電容容量為100 μF;電源的輸出濾波電容耐壓值為65 V。

圖2 驅(qū)動器主電路(單相)

Boost升壓電路的負(fù)載為電機(jī)驅(qū)動電路，在升壓電路的輸出端并聯(lián)了一個(gè)較大的電阻R，防止電機(jī)故障等原因造成負(fù)載開路，導(dǎo)致Boost電路損壞。

根據(jù)文獻(xiàn)［8］，由式(1)計(jì)算得到Boost升壓電路在電流連續(xù)模式和斷續(xù)模式工作時(shí)的電感臨界值為 41.6 μH。

式中:LB為臨界電感;fs為開關(guān)管Q1的工作頻率;Io為輸出電流;Vo為Boost電路的輸出電壓;Dmin為控制開關(guān)管Q1信號的最小占空比。本文采用電流連續(xù)模式。

推挽逆變電路部分的輸入電壓即為Boost電路的輸出電壓15～45 V，相應(yīng)的輸出電壓為133～400 V。開關(guān)管的驅(qū)動頻率為40 kHz，脈沖變壓器磁芯采用鐵氧體磁芯［9］，磁性材料為NCD公司的LP3。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，由式(2)可以確定原副邊匝數(shù)，分別選為33和297匝，由此可以求得變比為9。

式中:V為原副邊電壓;Kf為波形系數(shù);f為開關(guān)管Q2和Q3的頻率;N為匝數(shù);Bm為磁芯最大工作磁感應(yīng)飽和強(qiáng)度;Ac為磁芯有效截面積。

2.3 反饋電路部分設(shè)計(jì)

驅(qū)動器的反饋主要有兩個(gè)部分:Boost升壓電路的穩(wěn)定輸出電壓反饋和超聲波電動機(jī)的孤極電壓反饋。兩個(gè)反饋都是通過MSP430的ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊來采集信號，經(jīng)過單片機(jī)計(jì)算后，前者調(diào)節(jié)驅(qū)動電路PWM波的占空比實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定，后者經(jīng)過DAC12數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，控制PDL1220芯片的輸出頻率，以實(shí)現(xiàn)用孤極電壓反饋來穩(wěn)定超聲波電動機(jī)工作狀態(tài)。

2.3.1 Boost輸出電壓反饋電路

Boost電路輸出電壓反饋采用電阻分壓采樣。Boost輸出電壓經(jīng)電阻分壓后輸入MSP430，為了防止電壓燒壞MSP430芯片，使用一個(gè)6 V穩(wěn)壓管連接到反饋可調(diào)電阻上，當(dāng)輸出電壓高于6 V時(shí)，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，保護(hù)MSP430芯片。

2.3.2孤極電壓反饋電路

超聲波電動機(jī)的穩(wěn)定性受溫度、摩擦損耗等干擾較大，其中溫度變化對其運(yùn)行穩(wěn)定的影響最為顯著。這是因?yàn)楫?dāng)電機(jī)在使用過程中發(fā)熱，使電機(jī)溫度發(fā)生變化，定子的諧振特性將會改變。如果激勵(lì)頻率不隨著諧振特性的變化而變化，電機(jī)開環(huán)運(yùn)行下的性能就會明顯改變［10－11］。因此，為了使超聲波電動機(jī)轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，有必要引入反饋電路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。采用孤極電壓反饋電路，對超聲波電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電機(jī)保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。其原理是在超聲波電動機(jī)的定子上增加一個(gè)單獨(dú)的壓電陶瓷作為電壓傳感器，稱之為孤極，理想情況下，孤極電壓的幅值與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。孤極電壓經(jīng)整流和濾波后，經(jīng)單片機(jī)MSP430的ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集，模擬信號變成數(shù)字信號。在MSP430單片機(jī)中，對孤極電壓與設(shè)定電壓作比較計(jì)算，通過DAC12數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，輸出相應(yīng)的電壓至PDL1220芯片，調(diào)整輸出信號頻率，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖3為孤極電壓反饋控制系統(tǒng)框圖。在PI控制器中，把P控制的增益選得較小，在整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)的孤極電壓等于設(shè)定電壓，通過改變設(shè)定電壓來對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

圖3 孤極電壓反饋控制系統(tǒng)框圖

由于孤極電壓為交流電，所以孤極電壓采集后必須經(jīng)整流濾波電路變成直流電后送至MSP430，同時(shí)由于本驅(qū)動器采用推挽電路來驅(qū)動電機(jī)，所以孤極電壓采集時(shí)最好實(shí)現(xiàn)隔離，采用TL431加4N35實(shí)現(xiàn)電壓隔離采集，孤極電壓反饋電路如圖4所示。

圖4 孤極電壓反饋電路圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際制作的驅(qū)動器如圖5所示，用此驅(qū)動器驅(qū)動TRUM60型超聲波電動機(jī)。電機(jī)技術(shù)指標(biāo)如下:驅(qū)動頻率 41.3 kHz，輸入電壓 12 V，輸入電流1.0 A，電機(jī)轉(zhuǎn)速161 r/min。MOSFET的柵極波形及最終的輸出電壓波形如圖6所示。由圖可見，柵極信號無毛刺，且占空比為45%。施加孤極電壓反饋電路后，電機(jī)工作運(yùn)行穩(wěn)定，速度變化可穩(wěn)定在5%以內(nèi)。測試了電機(jī)在固定頻率下的調(diào)壓調(diào)速性能，調(diào)速曲線如圖7所示，具有較好的線性。

圖5 超聲波電動機(jī)小型驅(qū)動電源外觀

圖6 實(shí)驗(yàn)波形

圖7 固定頻率下的調(diào)壓調(diào)速曲線

4 結(jié) 語

本文基于MSP430單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一種新型平臺的超聲波電動機(jī)小型驅(qū)動器，并很好地驅(qū)動了TRUM60型超聲波電動機(jī)。該驅(qū)動器增加了調(diào)壓調(diào)速功能，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，并留有豐富的控制接口，為后續(xù)豐富和完善驅(qū)動器功能奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 趙淳生.面向21世紀(jì)的超聲電機(jī)技術(shù)［J］.中國工程科學(xué)，2002，4(2):86 －91.

［2］ 李華峰，趙淳生.基于復(fù)雜可編程邏輯器件的超聲電機(jī)小型電源［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(7):115 －118.

［3］ 朱華，趙淳生.微型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)狀［J］.壓電與聲光，2005，27(6):627 －630.

［4］ 祖家奎，趙淳生.超聲電機(jī)定子的驅(qū)動方式及其振動響應(yīng)特性［J］.壓電與聲光，2006，28(1):93 －95.

［5］ 李華峰，辜承林.大轉(zhuǎn)矩行波型超聲波電機(jī)的研制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22(8):67 －70.

［6］ 沈建華，楊艷琴，瞿曉曙.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)實(shí)踐與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［7］ 魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例［M］.北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［8］ 張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:27－40.

［9］ 秦裕發(fā).小功率電訊變壓器的設(shè)計(jì)與制造［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1983.

［10］ 李華峰，辜承林.超聲波電機(jī)的頻率自動跟蹤［J］.壓電與聲光，2003，25(1):36－38.