超聲電機驅(qū)動和疲勞壽命集成測控系統(tǒng)?

潘 松, 王海寧 孫志峻, 黃衛(wèi)清, 楊 穎

(1.南京航空航天大學(xué)機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室 南京,210016)

(2.中國人民公安大學(xué)公共管理系 北京,100038)

1 問題的提出

超聲電機是一種新型微特電機,其工作原理是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng),激發(fā)彈性體在超聲頻段內(nèi)的微幅振動,并通過定、轉(zhuǎn)子的相互摩擦作用使轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn),驅(qū)動負(fù)載[1]。運行壽命是評價超聲電機性能的一個重要指標(biāo)[2-3]。由于超聲電機是通過摩擦驅(qū)動,定轉(zhuǎn)子之間存在磨損,并且負(fù)載不同對摩擦材料的影響也不同。在超聲電機使用過程中,希望能知道在交變載荷下,超聲電機可達到的最長壽命,以及在長期運行過程中其他參數(shù)的變化情況。針對超聲電機的疲勞壽命測試,有研究人員基于計算機并口,并針對超聲電機驅(qū)動器設(shè)計相應(yīng)外圍電路,搭建了一套測試系統(tǒng),如圖1所示[4]。該系統(tǒng)采用了多塊電路板,并且它們之間的相互連線也較多,在長時間的應(yīng)用中容易出現(xiàn)問題。如果要測多臺電機時需要多臺計算機,比較占用資源。

圖1 原測試系統(tǒng)

超聲電機疲勞壽命測控系統(tǒng)包括超聲電機驅(qū)動器、定時控制器、電流源和電源開關(guān)控制電路。如果采用普通微控制器則需要很多外圍電路,電路連線復(fù)雜,容易出現(xiàn)故障,而采用 DSP則會增加系統(tǒng)成本。 CYPRESS公司生產(chǎn)的 Programmable System on Chip[5](PSoC)可編程片上系統(tǒng)將一個 8位的微控制器與可編程數(shù)字陣列和模擬陣列集成在一個芯片上。其特點在于既具有8位微控制器的處理能力,又具有組成多種可編程數(shù)字或模擬用戶模塊的能力,可以滿足對超聲電機控制的要求。采用一片PSoC配合少量外部元器件,可以實現(xiàn)超聲電機疲勞壽命測控系統(tǒng)設(shè)計,大大簡化了電路,提高了電路的可靠性和穩(wěn)定性,并可實現(xiàn)與外部通信。如需進行多臺電機的測試時采用一臺計算機就可以方便組建測試網(wǎng)絡(luò),減少資源的占用。

2 集成測控系統(tǒng)設(shè)計

筆者采用的是可以實現(xiàn)模擬和數(shù)字混合編程的嵌入式微控制器 PSoC,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2所示。它是由基本的CPU內(nèi)核和預(yù)設(shè)外圍部件組成,將多種數(shù)字和模擬器件、微處理器、處理器外圍單元和外圍接口電路集成到 PSoC上。在周圍集成的模擬和數(shù)字外圍器件陣列都是動態(tài)可配置,利用芯片內(nèi)部的可編程互聯(lián)陣列,可以有效地配置芯片上的模擬和數(shù)字資源,達到可編程片上系統(tǒng)的目的。對于設(shè)計人員來說,只需按產(chǎn)品的功能來選擇相應(yīng)的功能模快,從而構(gòu)建自己的產(chǎn)品系統(tǒng)。因為 PSoC器件都是可動態(tài)重構(gòu)的,從而能夠隨意創(chuàng)建新的系統(tǒng)功能。

圖2 PSoC的結(jié)構(gòu)框圖

基于 PSoC的單芯片集成測控系統(tǒng)包含了超聲電機的驅(qū)動控制模塊、數(shù)控電流源加載模塊和信號整形模塊。其中:超聲電機的驅(qū)動模塊采用連個帶死區(qū)控制脈寬調(diào)制模塊來實現(xiàn),可完成調(diào)頻、調(diào)相等功能;數(shù)控電流源模塊用于控制磁粉制動器的電流,從而實現(xiàn)負(fù)載大小的控制;信號整形模塊來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的測量,并可轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的 T TL電平,以便于與外部控制接口。根據(jù)超聲電機的驅(qū)動和疲勞壽命測控系統(tǒng)要求,筆者提出如圖 3所示的單片集成測控系統(tǒng)方案。

圖3 單片集成測控系統(tǒng)框圖

2.1 數(shù)控電流源設(shè)計

數(shù)控電流源模塊用到了 PSoC內(nèi)部的一個儀表放大器模塊(INSAM P)和一個9位電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊(DAC9)。

2.1.1 INSAMP用戶模塊

INSAMP模塊提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的2運算放大器形式的放大器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),用戶可編程增益為 2至16。此放大器擁有高輸入阻抗、良好的共模信號抑制能力和較寬的帶寬。INSAM P用戶模塊的原理如圖4所示。由圖 4可知,INSAMP用戶模塊的 2運算放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)映射到一對模擬連續(xù)時間 PSoC模塊上,此用戶模塊能夠?qū)⑼獠渴┘拥牟罘中盘栟D(zhuǎn)換成單端信號,并以選定的內(nèi)部模擬地為基準(zhǔn)電壓。模塊的輸入連接到輸入多路復(fù)用器上。增益、輸出基準(zhǔn)電壓和模擬輸出總線連接均由用戶在設(shè)備編輯器內(nèi)設(shè)置。儀表放大器的增益可通過 2個模擬模塊中每一個模塊之內(nèi)的電阻陣列上的可編程抽頭的設(shè)置值來決定。

圖4 儀表放大器簡化示意圖

反相輸入與輸出之間存在如下函數(shù)關(guān)系

正向輸出與輸入和反相輸出之間的關(guān)系如下

這樣,INSAMP用戶模塊的傳遞函數(shù)如下

2.1.2 DAC9用戶模塊

DAC9用戶模塊能夠?qū)?shù)字編碼轉(zhuǎn)換成輸出電壓,它能夠在高達每秒125k采樣率的更新速率下將數(shù)字編碼轉(zhuǎn)換成輸出電壓。應(yīng)用程序接口支持偏移二進制碼、2的補碼以及寄存器映像(符號加絕對值)數(shù)據(jù)格式,以提供最大的靈活性。為了最大程度地減少轉(zhuǎn)換誤差,還采用了偏移補償方法。DAC9的原理如圖 5所示。

圖5 DAC9的原理示意圖

DAC9用戶模塊還能將數(shù)字編碼轉(zhuǎn)換成模擬輸出電壓。數(shù)據(jù)編碼以2的補碼格式數(shù)字來表示,范圍為-255～+255。另一種方式是輸入編碼可以采用偏移二進制格式表示,其數(shù)字范圍為 0～ 510。

DAC9用戶模塊可映射到任意兩個模擬模塊上。從內(nèi)部來看,模塊工作時的基礎(chǔ)是符號加絕對值格式。由5個最高有效絕對值位來設(shè)置C3的數(shù)值,如圖5所示的二進制加權(quán)電容陣列;2個最低有效絕對值位用于設(shè)置C1的數(shù)值。C3采用的數(shù)值從零至 31個單位,C1采用從以單位電容值為單位的集合{0,4,8,12,16,20,24,28}中選出的數(shù)字。可以由ASign位進行反相設(shè)置的參考電壓,在每個階段進行比例確定時,分別采用絕對值電容C1和C3,與反饋電容C2和C5的比率來設(shè)置,每個電容的標(biāo)稱電容值均為32個單位。 LSB級的輸出由聯(lián)合電容C4與反饋電容C5的比率進行進一步的比例確定。

由硬件在每個更新周期內(nèi)提供偏移補償。由O1和O2控制的開關(guān)在O1期間運算放大器配置成一個單位增益的跟隨器。在這種配置中,偏移電壓施加在加法結(jié)點,同時對 ACap,BCap和 FCapt進行充電。如果在O2期間重新配置,電路將會對這些電容上偏移充電進行翻轉(zhuǎn),從而有效地消除了偏移電壓。

結(jié)合圖 5所示的設(shè)定比例后的參考電壓,輸出電壓如下

當(dāng)全局參數(shù) RefMux通過設(shè)備編輯器被配置成(2BandGap)± BandGapj時 ,AGND為 2.6 V,參考電壓為 1.3 V。對應(yīng)輸出為

2.1.3 數(shù)控電流源原理

在本設(shè)計中,采用 INSAM P模塊和 DAC9模塊,外圍配置 1個 MOSFET管、1個電容和3個電阻組成一個可控電流源,該部分電路原理如圖 6所示。其中可控電流源的大小由 DAC9產(chǎn)生并輸出到PSoC的 P05引腳,然后通過 PSoC特有的內(nèi)部總線互聯(lián)技術(shù)連接到INSAMP模塊的設(shè)定端,電阻R2上的反饋電流通過一個由電阻R3和電容C1低通濾波后輸入到 PSoC的 P02引腳,產(chǎn)生的比較值通過PSoC的 P03引腳輸出。

圖6 數(shù)控電流源原理圖

2.2 信號調(diào)理模塊

在測量電機轉(zhuǎn)數(shù)電路中采用光電開關(guān),它輸出的一系列高電平脈沖信號不符合并行通信所要求的標(biāo)準(zhǔn) T TL電平規(guī)范,必須經(jīng)過檢測信號放大電路。將檢測到的信號放大、整型,使之符合標(biāo)準(zhǔn) T TL電平規(guī)格,才能輸入到計算機。檢測信號整形電路的核心采用 PSoC內(nèi)部可編程閾值比較器(CM PPRG)[6],它能將輸入的一系列高電平脈沖放大并轉(zhuǎn)化為可與并口通信的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號。

2.2.1 CMPPRG模塊

CMPPRG用戶模塊具有將選定的輸入與可編程的參考閾值進行比較的功能,它在輸入和參考電壓連接方面具有相當(dāng)好的靈活性,該比較器的速度可以通過調(diào)節(jié) PSoC模塊內(nèi)的放大器的功率等級來進行編程設(shè)置。 CM PPRG模塊原理如圖 7所示。

圖7 CM PPRG原理圖

比較器由一個內(nèi)部補償電容禁用的連續(xù)時間運算放大器構(gòu)成。正輸入連接到輸入多路復(fù)用器上,負(fù)輸入連接至Vdd與所選定的參考值 Low Limit之間的電阻分壓器的抽頭上。

比較器的閾值數(shù)值由式(5)決定

其中:VT為門限電壓;Vlow為下限電壓;Vref為參考電壓。

2.2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

信號整形部分原理如圖8所示。在進行壽命試驗過程中需要檢測電機的運轉(zhuǎn)周數(shù),運轉(zhuǎn)周數(shù)檢測電路由一個光電開關(guān)和一個帶縫隙的遮光板組成。遮光板是一個在半徑方向上開了一條窄縫的不透光圓盤,固連于電機轉(zhuǎn)軸上。電機每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),發(fā)光二極管會在窄縫通過的瞬時選通光敏三極管,使電路輸出一高電平脈沖信號,將電機的轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)化為高電平脈沖信號輸出。高電平脈沖的數(shù)目即是電機的轉(zhuǎn)數(shù),高電平脈沖之間的時間間隔即是電機運行一周的時間。光柵信號由 PSoC的 P01引腳進入,經(jīng)過CM PPRG模塊后通過內(nèi)部的比較總線到達 DigBuf模塊,然后經(jīng)由該模塊從 PSoC的 P16輸出。

圖8 整形模塊原理圖

3 測試系統(tǒng)實驗

根據(jù)上述原理最后完成的超聲電機疲勞壽命單芯片集成驅(qū)動測控系統(tǒng)硬件與原系統(tǒng)實物對比照片如圖 9(a)所示,包含制動器和電機的單片集成測控系統(tǒng)整體照片如圖 9(b)所示。

由圖 9可見,基于單芯片的集成測控方案使得電路板的尺寸較小,外圍器件也較少,大大增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,簡化了系統(tǒng)的連接。如需要進行多臺超聲電機的疲勞壽命測試時,只需要一臺計算機,在不修改硬件的前提下,只修改軟件就可組成測控網(wǎng)絡(luò)。

為驗證系統(tǒng)功能,在實際磁粉制動器上進行了實驗,實驗結(jié)果如圖10所示。該制動器工作電流為0～ 0.4 A,可產(chǎn)生 0～ 1 N? m的扭矩。 超聲電機疲勞壽命測試過程中要求一段時間無載,一段時間半載,一段時間全載,在實驗中由程序控制間隔時間為1s,經(jīng)過標(biāo)定以后得到的實驗結(jié)果如圖10(a)所示。

圖9 集成測控系統(tǒng)照片

圖10 實驗結(jié)果

其中:上半部分曲線為 MOSFET管的柵極驅(qū)動電壓;下半部分曲線為 1Ω采樣電阻上的電壓,該電壓的大小反映了制動器工作電流的大小。可見,通過改變DAC9的設(shè)定值可以改變負(fù)載電流的大小。信號整形部分整形前、后的信號如圖 10(b)所示,其中下半部分曲線是光柵信號輸入,上半部分曲線是經(jīng)過PSoC內(nèi)部比較器后的輸出。光柵輸入信號上升時間比較長,不是標(biāo)準(zhǔn)的 TT L電平,不能滿足PC機并行口的數(shù)字信號接口要求,經(jīng)過 PSoC內(nèi)部比較器以后信號滿足要求。從實驗結(jié)果可見,所設(shè)計的基于單芯片的疲勞壽命測控系統(tǒng)可以滿足系統(tǒng)的測控要求。

4 結(jié)束語

現(xiàn)有的超聲電機疲勞壽命測控系統(tǒng)由多塊驅(qū)動控制電路板組成,系統(tǒng)連線比較復(fù)雜,容易出故障。筆者根據(jù)系統(tǒng)要求采用一片 PSoC設(shè)計了集成電機驅(qū)動、數(shù)控電流和信號整形功能的單芯片解決方案。利用 PSoC特有的內(nèi)部總線互聯(lián)技術(shù)使得整個系統(tǒng)簡潔明了,只需在外圍配備基本的元器件就能實現(xiàn)超聲電機疲勞壽命測控的要求。相比原先的設(shè)計,采用筆者提出的設(shè)計方案設(shè)計的電路板尺寸大大減小,系統(tǒng)可靠性增加。通過實際磁粉制動器實驗驗證了所設(shè)計系統(tǒng)的功能,取得了比較好的效果。

[1] 趙淳生.超聲電機技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2007:1-20.

Zhao Chunsheng.Ultrasonic motors technologies and applications[M].Beijing: Science Press,2007:1-20.(in Chinese)

[2] 趙淳生,黃衛(wèi)清.超聲電機的實驗研究[J].微電機,2003,36(2):16-20.

Zhao Chunsheng,Huang Weiqing.Ultrasonic motor experimental study[J].Micro-motor,2003,36(2):16-20.(in Chinese)

[3] Ishii T,Nakamura K,Ueha S.A wear evaluation chart of friction materials used for ultrasonic motors[C]∥IEEE Ultrasonics Symposium.Sendai,Japan:Ultsym,1998:699-702.

[4] 陳乾偉,黃衛(wèi)清 ,趙淳生.超聲電機壽命測試的方法研究 [J].振動、測試與診斷,2004,24(1):19-22.

Chen Qianwei,Huang Weiqing,ZhaoChunsheng.Ultrasonic motor life testing method[J].Journal of Vibration,Measurement&Diagnosis,2004,24(1):19-22.(in Chinese)

[5] Cypress semiconductor corp.PSoCTM mixed signal arraytechnical reference manual(Trm1.21)[EB/OL].(2005-08-03)[2012-03-10].www.cypress.com.2004.

[6] 李華峰,冒俊,馬春苗,等.基于可編程片上系統(tǒng)的超聲電機小型驅(qū)動電源 [J].壓電與聲光,2009,31(3):370-373.

Li Huafeng,Mao Jun,Ma Chunmiao,et al.Micro driverforultrasonicmotors based on PSOC[J].Piezoelectrics& Acoustooptics,2009,31(3):370-373.(in Chinese)