PSoC在超聲波電動機直線位移機構步進控制中的應用

任 杰，朱 華，梁大志

(南京航空航天大學，江蘇南京 210016)

0 引 言

超聲波電動機是一種新型電機。其基本原理是利用壓電材料的逆壓電效應，通過激發與轉子或滑塊接觸處媒質質點的橢圓運動，并借助于摩擦力驅動轉子或滑塊做旋轉或直線運動［1］。本文基于旋轉型行波超聲波電動機設計了一種直線位移機構，想要實現其步進運動控制。

在給定的激勵下，按規定的步距運行規定步數的超聲波電動機，稱為步進超聲波電動機。較之于電磁式步進電動機，其具有結構簡單、易于微型化、無電磁干擾、環境適應性強等優點，在光學儀器、機器人、空間探索、醫療設備等方面將會有廣泛的應用前景。超聲波電動機實現步進運動有兩種方法:一種利用特殊的結構設計來實現，往往步距角比較大;另一種利用驅動控制的方法來實現。本設計從驅動控制著手將激勵鎖定為脈沖激勵，以充分發揮超聲波電動機高分辨率的特點，獲得微小的步距角，從而使超聲波電動機驅動的直線位移機構獲得較小的位移分辨率［2－4］。

以上功能的實現依托于一款功能強大、高集成度的微處理器。PSoC是由Cypress公司推出的一款系統可配置單片機，主要由可配置模擬模塊(如放大器、ADC、DAC、濾波器和比較器)和可配置數字模塊(如定時器、計數器、IRDA、PWM、SPA和 UART)組成，還包括一個快速8位微處理器、容量高達32 kB的快速擦寫存儲器、2 kB SRAM、2個帶有32位累加器的8×8乘法器、電源和睡眠監控電路以及硬件I2C通信電路。PSoC的獨特之處在于它提供了一種“模擬+數字”的混合信號可配置系統。單個PSoC器件能夠集成多達100個外圍部件和微控制器，節省了大量客戶時間。這種“模擬+數字”的可配置PSoC使得設計靈活性最大化，它們間的協同是嵌入式系統發展過程中永恒不變的主題［6－7］。

1 超聲波電動機驅動的直線位移機構

該直線位移機構的工作原理是通過與電機輸出軸相連的滾珠絲桿［7］，將超聲波電動機的旋轉運動轉化成執行元件，即頂桿的直線運動。如圖1所示，該直線位移機構由行波型旋轉超聲波電動機、螺母導向座、平鍵、滾珠絲杠和頂桿組成。螺母導向座通過大螺釘固定在超聲波電動機上，超聲波電動機輸出軸通過軸銷和滾珠絲杠軸連接，螺母導向座的內壁對稱地開了兩個鍵槽，兩個鍵槽內分別安裝平鍵，滾珠絲杠螺母通過平鍵限位在螺母導向座中，頂桿通過小螺釘固定在滾珠絲杠螺母上。超聲波電動機輸出軸通過軸銷驅動滾珠絲杠軸旋轉，滾珠絲杠螺母在平鍵的約束下沿螺母導向座軸向做直線運動，頂桿在滾珠絲杠螺母的帶動下做直線往復運動。

圖1 直線位移機構結構示意圖

2 控制系統工作原理

圖2 超聲波電動機控制系統原理框圖

早期的超聲波電動機控制原理比較簡單，如圖2所示，主要由可調頻率發生器、分頻分相器與功放/匹配電路三部分組成［8］。可調頻率發生器生成的一路基準方波信號經由分頻分相器分成在時間上互差的四路方波信號;再利用功放/匹配電路的信號放大作用將其生成為兩相相位差的正弦功率信號。采用上述原理制成的電機驅動器主要包含各種集成電路元件和分立式的電阻、電容，由此也帶來了一系列問題，如元器件數量眾多，導致電路板體積過大，節點較多，給故障檢測工作帶來的困難等。

圖3是以PSoC為核心構件的超聲波電動機驅動電路框圖。可以看出，整個驅動器由一片PSoC芯片完成各種控制，省去了外接的用于分頻、移相、反相用的集成電路元件，大大減小了控制系統電路板的面積，提高了控制系統的穩定性。PWMDB16(占用兩個PSoC模塊，提供16位分辨率)是16位帶死區的脈寬調制模塊，PWMDB16模塊的Period寄存器決定了模塊的PWM輸出頻率的周期;Pulse Width寄存器決定了PWM輸出頻率的脈寬;Dead Time寄存器決定了P1與P2兩個反相信號前/后沿之間的死區時間。PWM模塊輸出是CPU所帶的外部接口電路，運行時并不占用CPU資源，故在電機運轉的同時，PSoC還可以同時進行其他的工作，如檢測、計算并實時地控制PWM發生器，提高了超聲波電動機的實時響應性和運行穩定性［9］。由PWMDB16模塊產生相位四路方波型號，其中PWM1發出的相位差為π的兩路方波信號直接驅動MOSFET，經由推挽逆變電路轉化成一路正弦信號，相應的PWM2發出的兩路信號則轉換成一路余弦信號，最后，兩路相位差為的同頻、等幅交變電壓加在超聲波電動機的兩組壓電陶瓷元件上驅動其轉子轉動。

該驅動器采用調頻速度控制。其原理是通過調節壓電陶瓷片的激振頻率，來控制定子的共振狀態，進而調節超聲波電動機的轉速［10］。圖 3中ADCINC12是增量型模數轉換器，通過將電位器的模擬量轉換為數字量，來調節PWMDB16模塊的Period變量，從而達到調頻調速的目的。驅動器實物圖如圖4所示。

圖3 超聲波電動機驅動電路框圖

圖4 驅動器實物圖

3 步進功能的軟件實現

超聲波電動機的步進運動是本文的核心。通過PSoC內置的UART串行通信模塊，在MAX232電平轉換芯片的幫助下建立與PC上位機的通信，在上位機PC端的控制界面設定超聲波電動機運動的脈沖個數、脈沖組數、組間隔、轉速等相關參數來控制其運行狀態，圖5是步進程序框圖。首先停止所有中斷程序，初始化與PSoC相關的CPU寄存器，接著打開所有中斷，開啟定時器與計數器，在接收到上位機指令進入脈沖模式后進行相應的判斷。其中，控制超聲波電動機步進運動的脈沖數與組間隔時間是通過設定PSoC中Counter(計數器)模塊相關寄存器的值來實現的。應用WriteCompareValue()函數修改計數器比較寄存器值，其時間長度與驅動頻率周期的個數相對應;WritePeriod()函數則向計數器周期寄存器寫入周期值，計數器輸出低電平的時間即是組間隔時間。Counter計數器將載入的Period值減到零，會產生一個TC進位信號。一方面重新加載Period值，另一方面產生PWDB16模塊的中斷。組數的控制是通過timer與Counter模塊配合實現的。將timer的period值設定為Counter的組數整數倍，同時使能它們，啟用timer的TC溢出中斷模式運行，在計數器達到最終計數時進入中斷，并在中斷程序中關斷Counter，這樣就實現了脈沖運動的組數控制。

圖5 步進程序框圖

4 試驗驗證及分析

4.1 實驗系統

由于超聲波電動機驅動的直線機構的位移分辨率可以達到微米級甚至納米級的定位，所以環境因素對試驗結果的影響不可以忽略，故將試驗地點選在恒溫隔振的潔凈房。測試系統選用英國Renishaw生產的XL－80激光干涉儀，其能提供4 m/s的最大測量速度和50 kHz的記錄速率，即使處于最高數據記錄的速率下，系統準確性仍可以達到±0.5×10－6(線性模式)和1 nm的超高分辨率，能夠很好地滿足測試精度要求。將激光干涉測量系統的光學鏡頭、補償器和被測試機構固定于精密光學平臺上，至此整個試驗系統搭建完畢，如圖6所示。

圖6 激光干涉測試系統

4.2 實驗數據

為了校驗驅動器的步進性能，用示波器對不同脈沖數設定下的信號輸出進行了監視。圖7為12 V直流電源輸入下，單組3脈沖信號經功率MOS管柵極和濾波電容輸出端的電壓波形，頻率約40 kHz。

圖7 電壓波形

由圖7可知，驅動器脈沖發射狀態下輸出波形穩定，紋波電壓噪聲小。MOS管的柵極電壓在關斷后出現震蕩，這是由于功率開關管高頻關斷而產生的，在經過諧振電路后可以很好地被抑制，提高了電路效率和可靠性。

在實際測試時，從1個脈沖數開始對電機施加信號激勵，到8個脈沖數時頂桿做出位移上的響應(其間電機有響應，但并未體現到位移上)，在10個脈沖數下步進間距基本達到穩定，這是由超聲波電動機本身的機械特性與滾珠絲桿的松緊程度所決定的。圖8為活門頂桿在10脈沖信號激勵下的位移響應，位移分辨率達到了6 nm，響應后圖像的波動反映了系統震蕩(圖像上響應前的微小波動系環境因素影響)，穩定所需時間約1.5 s。

圖8 分辨率測試

圖9 脈沖間斷發射位移響應圖

圖9為活門頂桿在10個脈沖30組間斷發射下的運動位移時間圖(測試系統精度為1 nm)，30組的總行程約0.18 μm，正是單組10脈沖的30倍，由圖可見，其運行過程平穩，重復定位精度較高，且不存在丟步、越步現象。由于組間隔時間設置較短(40 ms)，機構在每次作動后未達穩定狀態就接收并執行下一組脈沖信號再次作動，造成了系統振蕩的疊加，體現在位移時間圖上就是運動全程的圖形跳動，但基本的步進臺階效果已經呈現出來。

5 結 語

以旋轉型超聲波電動機驅動的直線位移機構為控制對象，設計了基于PSoC微處理器的步進驅動控制器，并對該機構進行了激光測距試驗。試驗結果表明驅動器運行穩定，控制簡單、反應靈敏，機構步進運動平穩，定位精度高，達到了預期的控制效果。超聲波電動機的良好步進特性也有利于進一步擴展其應用范圍。

［1］紀科輝，郭吉豐，劉曉.超聲波電機的步進特性和步進定位控制［J］.中國電機工程學報，2004，24(1):71 －75.

［2］趙淳生.超聲電機技術與應用［M］.北京:科學出版社，2007.

［3］趙淳生.21世紀超聲電機技術展望［J］.振動、測試與診斷，2000，20(1):7 －12.

［4］趙淳生，金家楣.駐波變頻步進式超聲電機［P］.中國發明專利， 1688097.2005－10－26.

［5］戴國駿，張翔，曾虹.系統可配置單片機原理與應用［M］.北京:機械工業出版社，2009.

［6］何永義，郭帥.PSoC片上系統的原理與應用［M］.上海:上海大學出版社，2003.

［7］周志紅，文懷興，楊東生.滾珠絲杠安裝方式的研究［J］.制造技術與機床，2007(6):68－69.

［8］王紅占.基于PSoC的超聲電機驅動器的研究［D］.南京:南京航空航天大學，2009.

［9］韓天軍，劉建平，李朝東.基于DSP的超聲電機驅動與控制電路［J］.微特電機，2003(03):30－31.

［10］Gungor Bal，Erdal Bekiroglu，Sevki Demirbas，et al.Fuzzy logic based DSP controlled servo position control for ultrasonic motor［J］.Energy Conversion and Management，2004，45:3139 －3153.