基于LPC2124的超聲波電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)

摘要：針對行波型超聲波電機(jī)的驅(qū)動控制特性，為方便電機(jī)調(diào)試，實現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速或位置信號檢測，檢測電機(jī)首次啟動時的環(huán)境溫度，設(shè)計了一款基于LPC2124的驅(qū)動控制系統(tǒng)。采用傳統(tǒng)的推挽電路實現(xiàn)功率放大，串聯(lián)電感進(jìn)行諧振匹配。運用LPC2124內(nèi)置的脈寬調(diào)制器和A／D轉(zhuǎn)換器，外加微調(diào)電阻，可實時調(diào)節(jié)PWM頻率，從而方便電機(jī)的調(diào)試?；魻杺鞲衅鰽TS642LSH結(jié)合固定在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的環(huán)形齒輪，檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速或位置。采用LM75溫度傳感器，檢測環(huán)境溫度，給電機(jī)的首次啟動提供一個參考溫度。試驗表明，系統(tǒng)能順利檢測環(huán)境溫度，能穩(wěn)定、可靠地驅(qū)動電機(jī)工作，同時檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速或位置信號。
關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī)；驅(qū)動控制；PWM；ARM

    超聲波電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)獲得旋轉(zhuǎn)力矩的新型電機(jī)，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大、無電磁干擾、低速大轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)快、自鎖能力強(qiáng)等特點。由于超聲波電機(jī)在結(jié)構(gòu)原理、運行特性與傳統(tǒng)電磁原理電機(jī)有著本質(zhì)的差異，決定了其驅(qū)動控制技術(shù)與傳統(tǒng)的電機(jī)也有很大的不同，這也使得超聲波電機(jī)的驅(qū)動控制技術(shù)的優(yōu)劣成為影響超聲波電機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)行波型超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點和運動機(jī)理，其驅(qū)動、控制電路系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足如下要求：1)提供兩相超聲頻段內(nèi)(一般為20～100 kHz)具體一定幅值(峰-峰值150～1 000 V)的正交的正弦驅(qū)動電壓；2)超聲波電機(jī)具有容性負(fù)載特性，需要設(shè)計匹配電路，以實現(xiàn)功率匹配、濾波和諧振升壓的功能；3)應(yīng)具有調(diào)頻、調(diào)壓、調(diào)相等方法中的一種方式或混合方式進(jìn)行調(diào)速控制；4)應(yīng)具有閉環(huán)控制功能，以適應(yīng)隨工作過程中電機(jī)溫度的升高而引起的電機(jī)諧振頻率的漂移。本文介紹了一款基于LPC2124的超聲波電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使電機(jī)的調(diào)試工作更加方便快捷，可實現(xiàn)較復(fù)雜算法。

1 系統(tǒng)電路設(shè)計
1．1 系統(tǒng)方案
    本驅(qū)動控制系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)中LPC2124產(chǎn)生兩路相位差為90°方波，兩路方波經(jīng)或非門后與原來的兩路方波組成四路方波。四路方波經(jīng)隔離驅(qū)動、直流逆變、諧振匹配后，就得到超聲波電機(jī)工作所需的正弦交流信號。微調(diào)電阻主要用于電機(jī)調(diào)試時，調(diào)節(jié)輸出PWM信號的頻率，這可以縮短電機(jī)調(diào)試所消耗的時間。溫度傳感器用于檢測電機(jī)所處的環(huán)境溫度，這樣，在對電機(jī)首次啟動要求高的情況下，系統(tǒng)可以根據(jù)不同環(huán)境溫度給電機(jī)提供不同的啟動頻率，有利于提高電機(jī)啟動的穩(wěn)定性。電機(jī)轉(zhuǎn)子上的凹或凸齒對著霍爾傳感器時，霍爾傳感器輸出的電流大小不一樣。經(jīng)過電路處理后，將電流變化轉(zhuǎn)換成方波信號，利用方波信號實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、位置的檢測。為了方便電路系統(tǒng)的調(diào)試和程序的下載，系統(tǒng)設(shè)置了JTAG和UART口。其中JTAG主要用于調(diào)試工作，當(dāng)然也可以用于程序下載。而UART口則既可以將各種數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦主機(jī)，又可用于程序的下載和Fl-ash的擦除。
1．2 控制芯片
    超聲波電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的控制芯片是LPC2114，其內(nèi)核為ARM7TDMI。LPC2124處理器是ARM通用32位微處理器家族的成員之一。LPC2124采用LQFP64封裝，CPU操作電壓1．8V，內(nèi)部集成256 kB片內(nèi)Flash程序存儲區(qū)、16 kB靜態(tài)RAM，擁有4路10位ADC、2個32位定時器、6路PWM輸出、兩個低功耗模式、46個GPIO及9個外部中斷等。另外內(nèi)置倍頻鎖相環(huán)(PLL)，可實現(xiàn)最大為60 MHz的CPU操作率。同時LPC2124支持片上調(diào)試、斷點，方便系統(tǒng)軟、硬件的調(diào)試。
1．3 關(guān)鍵電路
1．3．1 隔離驅(qū)動、推挽、諧振匹配電路
   隔離驅(qū)動、推挽、諧振匹配電路如圖2所示。

   LPC2124產(chǎn)生兩路相位差為90°方波PWM—S和PWM—C，兩路方波分別經(jīng)74HC02D或非門后形成兩路相應(yīng)的反相方波，與原來的兩路方波組成相位依次相差90°四路方波。四路方波經(jīng)MAX4427隔離驅(qū)動放大后，利用4個MOS管(IRFR320)與兩個中間抽頭的變壓器組成的推挽電路，將四路方波信號轉(zhuǎn)換成兩路相位差為90°的交流方波信號。由于超聲波電機(jī)工作需要的是正弦交流信號，且超聲波電機(jī)屬容性負(fù)載，所以用串聯(lián)電感的方式進(jìn)行諧振匹配。
1．3．2 溫度采集模塊
    由于超聲波電機(jī)的諧振頻率除與電機(jī)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)外，與電機(jī)工作環(huán)境也很相關(guān)，而溫度是其中非常重要的一個因素。因此本系統(tǒng)中加入了溫度傳感器，來檢測環(huán)境溫度，用于研究溫度因素對電機(jī)啟動的影響。溫度傳感器芯片選用了LM75芯片，其中SDA和SDL與LPC2124的SDA和SDL相連，且需接上拉電阻。LM75是I2C接口的溫度傳感器，測量溫度范圍為-55～125℃，LM75已經(jīng)把當(dāng)前溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，LPC2124可以直接讀出使用。LM75上電后即可正常工作，無需發(fā)送命令去設(shè)置或初始化啟動。電路系統(tǒng)中將LM75芯片的A0～A2引腳接地，所以其從機(jī)地址為0X90，在LPC212A采用主模式I2C的數(shù)據(jù)接收模式時，LM75從機(jī)被讀的地址為0X91。LM75內(nèi)部有4個寄存器，這4個寄存器是通過I2C擴(kuò)展地址進(jìn)行訪問的，它們的擴(kuò)展地址為0X00、0X01、0X02、0X03。溫度值的寄存器地址為0X00，這是一個16位的只讀寄存器，其溫度值只使用了D15～D7位表示，低7位數(shù)據(jù)無效。在讀溫度寄存器時，連續(xù)讀出兩字節(jié)數(shù)據(jù)，而不用擔(dān)心LM75內(nèi)部自動增加子地址。其中D15位為0時表示正溫度，為1時表示負(fù)溫度。D14～D7為8位溫度值，最低有效位等于0．5℃。所以當(dāng)溫度為正時，溫度T=(D14-D7)／2；當(dāng)溫度為負(fù)時，需要對(D14～D7)取補碼，所以溫度T=(-(D14-D7)+1)／2。
1. 3. 3 轉(zhuǎn)速、位置檢測模塊
    轉(zhuǎn)速和位置檢測電路如圖3所示。目前在超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速或位置方面的研究中，由于光電編碼器精度高等原因，所以采用對多的方法就是利用光電編碼器來檢測轉(zhuǎn)速或位置。但如果在震動劇烈等相對惡劣環(huán)境下，光電編碼器一般就不可靠了，所以本文采用霍爾傳感器ATS642 LSH結(jié)合安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的凹凸齒輪來檢測轉(zhuǎn)速或位置。ATS642LSH輸出的是電流信號，其在電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個齒輪時，輸出的電流發(fā)生變化，輸出電流的典型值是高為14 mA，低為7 mA。利用一個100 Ω的電阻(圖3中R12)，將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號。此時，高電平為1．4 V，低電平為0．7 V，與1 V的參考電壓比較，即可將電壓信號轉(zhuǎn)換為方波信號。將該方波信號連接到LPC2124，控制器就可以利用方波信號的頻率和個數(shù)，推算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置狀況。

2 PWM的控制
    LPC2124的脈寬調(diào)制器建立在PWM專用的標(biāo)準(zhǔn)定時器之上，通過匹配寄存器及一些控制電路來實現(xiàn)PWM的輸出。脈寬調(diào)制器共有7個匹配寄存器，可實現(xiàn)6路單邊沿控制PWM輸出或3路雙邊沿控制PWM輸出，或兩者的混合輸出。
    由于不能同時產(chǎn)生四路依次相差90°的PWM信號，所以只輸出兩路方波信號，經(jīng)或非門反相產(chǎn)生另外兩路信號。通過PWM240UT函數(shù)(如下)設(shè)置LPC2124的PWM相關(guān)控制寄存器后，P31、P33(PWM2、PWM4)輸出兩路方波信號。

    利用LPC2124內(nèi)置的10位逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，調(diào)節(jié)微調(diào)電阻改變輸入的電壓值，來調(diào)節(jié)輸出的PWM頻率。由于是10位A／D，所以頻率線性調(diào)節(jié)范圍(f，f+1 023δ)，其中f為輸出的最低頻率，δ為調(diào)頻精度。f和δ根據(jù)電機(jī)情況設(shè)定相應(yīng)的值。本課題中，電機(jī)諧振頻率為33．67 kHz，設(shè)置的最低頻率f為30 kHz，δ為10Hz，頻率調(diào)節(jié)范圍為30 000～40 230 Hz。

3 試驗情況
    調(diào)節(jié)微調(diào)電阻，改變電機(jī)工作頻率，使電機(jī)處于所需的運行狀態(tài)，圖4是LPC2124輸出的PWM信號，頻率為33．82kHz。

    兩路方波變四路后，經(jīng)MOS驅(qū)動器MAX4427將方波電壓幅值提升到10 V(供電電源為10 V)，再經(jīng)過1：4的抽頭變壓器后，將四路直流方波逆變成峰峰值為80 V的交流方波，如圖5所示。由圖5中可以看出，交流方波有明顯的毛刺，且電壓幅值明顯不足以驅(qū)動電機(jī)，所以在接入屬容性負(fù)載的電機(jī)之前，串聯(lián)一個電感來實現(xiàn)濾波及諧振升壓，諧振匹配后的正弦交流信號如圖6所示。

    霍爾傳感器采集的轉(zhuǎn)速、位置控制信號經(jīng)電路處理后形成的方波信號如圖7所示。試驗用的電機(jī)轉(zhuǎn)子上共有32個齒，從圖7中可以看出，在500 ms內(nèi)電機(jī)共轉(zhuǎn)過了15個齒，所以電機(jī)的轉(zhuǎn)速在56轉(zhuǎn)每分左右。

4 結(jié)束語
    利用LPC2124內(nèi)置的脈寬調(diào)制器產(chǎn)生所需的PWM信號，替代傳統(tǒng)的分離器件，有助于驅(qū)動電路的集成化、小型化。結(jié)合傳統(tǒng)的推挽電路實現(xiàn)直流逆變和功率放大，驅(qū)動超聲波電機(jī)工作。設(shè)置適當(dāng)?shù)淖畹皖l率f和調(diào)頻精度δ，調(diào)節(jié)微調(diào)電阻，方便電機(jī)的調(diào)試工作。溫度傳感器LM75檢測環(huán)境溫度，LPC2124根據(jù)環(huán)境溫度值計算并設(shè)置電機(jī)首次啟動的初始頻率，可有效消除電機(jī)啟動時因溫度因素帶來的頻率漂移，提高電機(jī)啟動的可靠性和穩(wěn)定性。