張鐵民， 廖貽泳， 許志林， 李晟華， 梁 莉

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院 廣州，510642)

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基于DSP的壓電電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能測(cè)試與分析*

張鐵民， 廖貽泳， 許志林， 李晟華， 梁 莉

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院 廣州，510642)

針對(duì)高端制造裝備對(duì)大行程、高精度直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的廣泛需求，研究集宏微運(yùn)動(dòng)于一體的新型直線壓電電機(jī)，提出交流宏驅(qū)動(dòng)和直流微驅(qū)動(dòng)兩種工作模式，建立集宏微兩種驅(qū)動(dòng)方式于一體的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出兩相交流電壓，相位-90～90°、頻率10～60 kHz、電壓幅值0～400 V之間連續(xù)可調(diào)，輸出直流電壓在0～400 V動(dòng)態(tài)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了交直流電壓無縫轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)以TI公司提供的DSP28335為主控芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，運(yùn)放芯片PA85搭建線性直流式放大電路。同時(shí)，考慮受被控制對(duì)非線性、時(shí)變性和耦合性等因素的影響，通過采樣電路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，采用模糊自適應(yīng)增量式比例-積分-微分對(duì)控制系統(tǒng)修正調(diào)節(jié)。結(jié)果表明，經(jīng)過模糊自適應(yīng)修正后的驅(qū)動(dòng)電路輸出量得到明顯改善，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出信號(hào)的相位、頻率控制精度分別為5°和0.5 kHz，能夠穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)直線和旋轉(zhuǎn)壓電電機(jī)，具有較好的通用性。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；交直流；宏微驅(qū)動(dòng)；數(shù)字信號(hào)處理；比例-積分-微分控制

引 言

隨著集成電路(integrated circuit，簡(jiǎn)稱IC)及微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro mechanical system，簡(jiǎn)稱MEMS)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)定位系統(tǒng)的精度、速度和行程等提出了極高的要求。為此，Sharon[1]提出了宏/微雙驅(qū)動(dòng)的概念。宏驅(qū)動(dòng)[2-3]完成高速度、大行程的運(yùn)動(dòng)；微驅(qū)動(dòng)[4-5]完成高精度、小行程運(yùn)動(dòng)，對(duì)宏動(dòng)進(jìn)行位置補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)高精度、高速度、大行程及高頻響運(yùn)動(dòng)。

孫立寧等[6]研制的宏微兩級(jí)高精度定位系統(tǒng)，宏動(dòng)平臺(tái)采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，微驅(qū)動(dòng)則采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由精密線性光柵尺實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。Pahk等[7]研制的宏微兩級(jí)納米定位系統(tǒng)，采用滾珠絲桿螺母機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)宏動(dòng)臺(tái)，微動(dòng)臺(tái)采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器與柔性鉸鏈組成傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，宏/微位置反饋分別采用編碼器與激光干涉儀，并用雙伺服控制的方法實(shí)現(xiàn)定位。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所[8]研制的宏微驅(qū)動(dòng)超精度定位平臺(tái)，采用電致伸縮器件或壓電陶瓷和彈性鉸鏈結(jié)合的結(jié)構(gòu)作為微動(dòng)平臺(tái)，宏動(dòng)部分采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)采用精密光柵尺實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位移反饋，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制。然而，現(xiàn)有的這些宏微驅(qū)動(dòng)定位平臺(tái)宏動(dòng)與微動(dòng)兩者結(jié)構(gòu)獨(dú)立，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)獨(dú)立，系統(tǒng)復(fù)雜，體積較大。

為此，提出了基于壓電轉(zhuǎn)換的具有宏微雙重運(yùn)動(dòng)功能的新型直線微電機(jī)[9]與宏微驅(qū)動(dòng)一體化的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[10]，筆者根據(jù)宏微壓電電機(jī)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)宏微驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行分析。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

采用TI公司電機(jī)控制專用的TMS320F28335為主控制芯片，設(shè)計(jì)集交直流電壓輸出于一體的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，經(jīng)微處理器解算分兩路進(jìn)行控制，一路信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換經(jīng)線性放大電路輸出穩(wěn)壓直流電源；另一路通過PWM/IO口信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制6個(gè)絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，簡(jiǎn)稱IGBT)的通斷，使之輸出交直流可變、幅值、頻率、相位可調(diào)的電壓，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)修正，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 宏微驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Diagram of macro/micro drive system

2 驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

宏微驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)包括輸入控制、穩(wěn)壓電源、線性放大、橋式變換、AD/DA轉(zhuǎn)換及保護(hù)等電路設(shè)計(jì)。

2.1 線性放大電路設(shè)計(jì)

線性放大電路采用基于直流變換器原理的雙級(jí)運(yùn)算放大電路[11-12]，如圖2所示。第1級(jí)采用高精度運(yùn)算放大器OP07，以獲得較小輸入偏置；第2級(jí)采用高壓、大帶寬的運(yùn)算放大器PA85A以獲得較大電壓、功率。

圖2 線性直流式放大電路Fig.2 DC amplifier stabilization circuit

為了實(shí)現(xiàn)線性放大電路的電壓為0～400 V連續(xù)可調(diào)，對(duì)PA85A采用不對(duì)稱供電，VCC1，VSS1及VSS2由低壓穩(wěn)壓電路供電，VCC2由高壓穩(wěn)壓電路供電。OP07,PA85A的放大倍數(shù)分別為2和40，由此確定R1=100 kΩ，R2=100 kΩ，R3=10 kΩ，R4=390 kΩ。

利用信號(hào)發(fā)生器WF1964A在放大電路的輸入端分別輸入0～5 V的三角波、方波等信號(hào)波形，可得輸出為0～400 V、分辨率<100 mV、放大倍數(shù)為80的線性放大。

2.2 高壓穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)

為使功率運(yùn)算放大器PA85穩(wěn)定工作，設(shè)計(jì)的的高壓直流電源電路如圖3所示。該電路采用懸浮式調(diào)壓技術(shù)，由變壓器、整流電路、穩(wěn)壓電路及調(diào)壓電路組成。升壓變壓器輸出的AC440 V經(jīng)過整流、濾波及LM723組成調(diào)壓電路后，輸出穩(wěn)定的直流電壓。

圖3 高壓穩(wěn)壓電路Fig.3 High voltage circuit

2.3 橋式電路設(shè)計(jì)

圖4為橋式變換電路，由6個(gè)IGBT (Q1～Q6)構(gòu)成3個(gè)橋臂，當(dāng)用于宏驅(qū)動(dòng)時(shí)，Q3～Q4處于斷開模式，控制其他4個(gè)IGBT的通斷時(shí)序、頻率實(shí)現(xiàn)兩相交流電壓的幅值、相位與頻率輸出。當(dāng)用于微驅(qū)動(dòng)時(shí)，改變Q1～Q6的通斷狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)輸出單/雙路直流電壓輸出。

圖4 橋式電路框圖Fig.4 Diagram of bridge circuit

IGBT在開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊高壓，為了減少產(chǎn)生的電壓應(yīng)力，采用了RCD緩沖電路對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。由于電路工作在較高頻狀態(tài)，因此，選用玻璃鈍化的超快速二極管BYV26D快速恢復(fù)，電容C1使IGBT電壓在tf內(nèi)快速上升到2Vh

(1)

其中：tf為IGBT電流從初始值下降到零的時(shí)間；Vh為輸入電壓。

結(jié)合壓電機(jī)需求，經(jīng)計(jì)算，電容取為220 pF。存儲(chǔ)在電容中的大部分電量被電阻消耗，為避免電容飽和，在下一個(gè)關(guān)斷前，要求電容剩余的電量不得超過所充電荷的5%，因此電阻為30 Ω。

IGBT 性能發(fā)揮好壞與柵極驅(qū)動(dòng)電路有關(guān)，當(dāng)輸出高壓直流電時(shí)，橋式電路中部分IGBT一直保持常開，部分IGBT保持常閉狀態(tài)。綜合考慮限流和開關(guān)快慢要求，系統(tǒng)柵極電阻RG采用10Ω，驅(qū)動(dòng)電路采用東芝TLP251光電耦合芯片。

系統(tǒng)需要6個(gè)TLP251組成的光電耦合器驅(qū)動(dòng)IGBT，同一個(gè)橋臂上下橋驅(qū)動(dòng)電路的供電相互獨(dú)立，不同橋臂上半橋驅(qū)動(dòng)電路的供電也需要相互獨(dú)立，因此，需要4路獨(dú)立的供電電路給TLP251供電。

3 驅(qū)動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)電壓控制策略

輸入電路的控制信號(hào)為0～3V，經(jīng)AD一次轉(zhuǎn)化后分別存儲(chǔ)在Num1,Num2,… ,Num8緩存器中，采用平滑濾波算法對(duì)其濾波得到A/D轉(zhuǎn)換后的輸出值Num，data

(2)

(3)

其中：Vin為輸入控制電路的電壓幅值；data_c為調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)信號(hào)；data為DSP輸出的控制信號(hào)。

data經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換即得到相應(yīng)的輸出電壓，經(jīng)線性放大電路進(jìn)行功率、電壓放大后為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的高壓電源。改變輸入信號(hào)Vin，即能改變D/A轉(zhuǎn)換的輸出信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電源的輸出值的變化。

3.2 相位、頻率控制策略

系統(tǒng)采用TMS320F28335增強(qiáng)型脈沖調(diào)制器模塊(ePWM)產(chǎn)生PWM信號(hào), 利用其獨(dú)立輸出雙邊對(duì)稱模式控制輸出PWM特性。

Q1～Q44個(gè)IGBT由4路PWM經(jīng)光耦驅(qū)動(dòng)電路控制，Q5～Q6由IO口經(jīng)光耦驅(qū)動(dòng)電路控制。PWM1和PWM2相位差可調(diào)，調(diào)節(jié)步驟如下：確定EPWM1計(jì)數(shù)比較A寄存器的值CA1，通過式(4)確定特定相位差情況下EPWM2計(jì)數(shù)比較A寄存器的值C2，其中phase為兩相電路的相位差。在已知PWM輸出的頻率下，確定時(shí)間基準(zhǔn)時(shí)鐘TBCLK，由式(5)計(jì)算得到時(shí)間基準(zhǔn)周期寄存器的值TBPRD。

(4)

(5)

3.3 基于模糊自適應(yīng)增量式PID修正方法

由于壓電電機(jī)具有非線性、時(shí)變性，同時(shí)系統(tǒng)相位差、頻率發(fā)生偏移，導(dǎo)致效率降低。因此，將模糊控制與 PID 控制相結(jié)合，集兩者的優(yōu)勢(shì)，既實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)又克服了復(fù)雜的控制對(duì)象難以求出精確的數(shù)學(xué)模型[13-14]的難題，基于模糊自適應(yīng)PID的調(diào)節(jié)原理框圖如圖5所示。

圖5 模糊自適應(yīng)增量式PID結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of fuzzy adaptive incremental PID

PID的調(diào)節(jié)規(guī)律如下

(6)

其中：Kp為比例積分；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分常數(shù)。

將Kp/Ti,Kp×Td分別用Ki和Kd代替，同時(shí)對(duì)式子進(jìn)行離散化處理,可得

(7)

采用增量式PID方式。已知t時(shí)刻的調(diào)節(jié)量為uf(t)時(shí)，t-1時(shí)刻的調(diào)節(jié)量為uf(t-1)，將uf(t)與uf(t-1)進(jìn)行差值處理可得t時(shí)刻的增量Δuf(t)

(8)

同時(shí)，以誤差e(t)和誤差變化de(t)/dt作為輸入，進(jìn)行模糊推理，查詢控制規(guī)則表，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)刻對(duì)Kp,Ki和Kd的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

由信號(hào)發(fā)生器-WF1964A、TRUM60旋轉(zhuǎn)電機(jī)[15]、直線壓電電機(jī)、示波器-Tektronix TDS3043B、SZG-441C非接觸式手持?jǐn)?shù)字轉(zhuǎn)速表和OFV-505/5000激光測(cè)振儀組建的測(cè)試平臺(tái)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)硬件測(cè)試平臺(tái)Fig.6 Test platform of hardware system

4.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)空載試驗(yàn)分析

圖8 轉(zhuǎn)速特性曲線Fig.8 Characteristic curve of speed

在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出端無負(fù)載的情況下，使輸出電壓為100 V，調(diào)節(jié)相位差為90°，用示波器觀察其開環(huán)/閉環(huán)狀態(tài)下輸出波形，測(cè)得的輸出信號(hào)如圖7所示，空載條件下，無論有無調(diào)節(jié)器，輸出相位、頻率均無明顯變化。

圖7 空載條件下輸出兩相信號(hào)Fig.7 Two phase signal output in no-load condition

4.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載試驗(yàn)分析

4.2.1 宏驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)

以直線壓電電機(jī)和旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的宏驅(qū)動(dòng)進(jìn)行相位差、頻率、電壓測(cè)試如圖8所示。

圖8(a)表示兩種電機(jī)的轉(zhuǎn)速-相位的關(guān)系。試驗(yàn)表明：當(dāng)相位差為0°時(shí)，電機(jī)速度為0 r/min，隨著相位差增大，速度增加，當(dāng)相位差為±90°時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大，其關(guān)系呈現(xiàn)近似雙曲線正切關(guān)系。利用origin的非線性擬合曲線y=atanh(bx+c)近似擬合實(shí)測(cè)曲線。

圖8(b)表示兩相輸出信號(hào)的相位差為90°時(shí)，轉(zhuǎn)速-頻率的關(guān)系曲線。試驗(yàn)表明：輸出頻率只有在一定范圍內(nèi)電機(jī)才運(yùn)轉(zhuǎn)，在電機(jī)的本身的諧振頻率附近，電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到最大，之后隨著頻率的增加，轉(zhuǎn)速迅速下降，其曲線特性呈現(xiàn)類似于指數(shù)的關(guān)系。利用函數(shù)y=a+bexp(cx+d)近似擬合實(shí)測(cè)曲線。

圖8(c)表示兩相輸出信號(hào)的相位差為90°，兩種電機(jī)在諧振頻率下，轉(zhuǎn)速-直流輸入電壓的關(guān)系。隨著輸入電壓的升高，轉(zhuǎn)速也隨之升高，呈現(xiàn)出近似線性關(guān)系，用直線y=ax+b近似擬合實(shí)測(cè)曲線。

4.2.2 微驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)

以宏微直線壓電電機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的微驅(qū)動(dòng)進(jìn)行電壓位移測(cè)試，采用OFV-505/5000激光測(cè)振儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，利用三腳架固定OFV505光學(xué)頭，將光學(xué)頭測(cè)量微位移變化的信號(hào)傳輸?shù)絆FV-5000控制器，進(jìn)行處理之后通過示波器進(jìn)行觀測(cè)。

如圖9所示，隨著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的電壓的增大微位移量也增大，呈現(xiàn)近似線性關(guān)系。

圖9 壓電電機(jī)微運(yùn)動(dòng)位移曲線Fig.9 Displacement curve of piezoelectric motor’s micro movement

4.3 模糊自適應(yīng)增量PID調(diào)節(jié)器對(duì)系統(tǒng)影響測(cè)試分析

由試驗(yàn)可知，當(dāng)輸入直流電壓100 V、兩相信號(hào)相位差90°、工作頻率為40.3 kHz時(shí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)工作在最優(yōu)狀態(tài)，平均轉(zhuǎn)速為102 r/min。以旋轉(zhuǎn)電機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，調(diào)節(jié)控制參數(shù)使之工作在最優(yōu)狀態(tài)下，在有無PID調(diào)節(jié)器狀態(tài)下，對(duì)輸出相位、頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。經(jīng)過模糊自適應(yīng)增量式PID調(diào)節(jié)后，相位、頻率誤差明顯減少，其標(biāo)準(zhǔn)方差分別為2.97和0.16，其運(yùn)行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速誤差在0～3 r/min的范圍內(nèi)變化。

表1 各參數(shù)誤差比較

5 結(jié) 論

1) 研制了基于主控芯片TMS320F28335交直流一體化的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了宏、微驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)一體化，輸出參數(shù)獨(dú)立可調(diào)，能夠驅(qū)動(dòng)不同直線、旋轉(zhuǎn)不同類型的超聲電機(jī)和壓電微驅(qū)動(dòng)器。

2) 試驗(yàn)表明，在宏運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速與輸入相位差、頻率與電壓存在近似正切、指數(shù)變化規(guī)律特性；在微運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，位移與輸入電壓存在近似直線變化規(guī)律特性。

3) 通過采樣電路、AD轉(zhuǎn)換將輸出相位、頻率信號(hào)實(shí)時(shí)的反饋到控制器，進(jìn)行閉環(huán)模糊自適應(yīng)增量式PID修正。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，閉環(huán)控制相較于開環(huán)控制，其相位，頻率誤差降低了45.5%和58.9%，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)精度提高了58.3%。

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*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51177053)；廣東省教育廳科技創(chuàng)新重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(2012CXZD0016)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20124404110003)；廣州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(201510010227)

2015-05-05；

2015-05-29

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.02.010

TM35；TN710；TH13

張鐵民，男，1961年11月生，博士、教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)控制、超聲電機(jī)及機(jī)器人技術(shù)等。曾發(fā)表《應(yīng)用組態(tài)軟件的超聲電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)》(《振動(dòng)、測(cè)試與診斷》2010年第30卷第2期)等論文。 E-mail：tm-zhang@163.com 通信作者簡(jiǎn)介：梁莉，女，1963年7月生，博士、高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。主要研究方向?yàn)閴弘婒?qū)動(dòng)、機(jī)電一體化技術(shù)等。 E-mail：ll-scau@163.com