基于NuMicro M0516的超聲波電動機驅動電路設計

皮文苑，鹿存躍，楊 明

(上海交通大學，上海 200240)

0 引 言

超聲波電動機利用壓電材料的逆壓電效應及定轉子間的摩擦作用，將電能轉換為機械能。超聲波電動機特殊的工作機理使其與傳統(tǒng)的電磁電機相比，具備許多優(yōu)點，如:結構緊湊、低速大力距、無電磁干擾、動態(tài)響應快等。超聲波電動機已廣泛應用在微型機械、精密儀器、航空航天、醫(yī)療器械等諸多領域［1］。

超聲波電動機驅動電路一般由信號發(fā)生、功率放大、匹配電路等部分組成。信號發(fā)生是驅動電路的核心部分，一般是用 MCU、DSP或壓控振蕩器(VCO)等數(shù)字電路實現(xiàn)。由于DSP偏重于算法，且價格較高，用于電機驅動性價比不高［2］。而采用壓控振蕩器產(chǎn)生信號，需外加分頻分相電路，且電參數(shù)調節(jié)不便，故壓控振蕩器也不是很合適［3］。與上述兩種相比，MCU不僅具有高運算速度、能實現(xiàn)精確控制的優(yōu)點，而且價格低廉，非常適合于用作驅動電路的信號發(fā)生器。

本文以NuMicro M0516微控制器為核心，研制了一款超聲波電動機驅動電路，并詳細地介紹了系統(tǒng)硬件的組成和工作原理，同時給出了系統(tǒng)軟件程序的設計思路。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 總體結構

本文研制的超聲波電動機驅動電路結構如圖1所示，系統(tǒng)由M0516接收PC串口發(fā)送的頻率、相位差、占空比等控制信號，產(chǎn)生四路互差90°的同頻方波信號，經(jīng)光耦隔離電路、開關管驅動電路、推挽逆變電路，得到兩路相差90°的高壓功率方波信號。此方波信號含有豐富的諧波成分，需通過匹配電感濾去高次諧波，得到驅動超聲波電動機所需的兩路相差90°的高頻高壓正弦信號。下面分別介紹各部分電路的構成及功能。

圖1 超聲波電動機驅動電路結構框圖

1.2 微控制器

控制部分是整個驅動電路的核心。微控制器采用了NuMicro M0516，它是一款NUTOVON新推出的基于ARMCortex－M0核的32位單片機，其內核可運行至50 MHz，執(zhí)行速度快、存儲量大、功能強大且價格很低廉。

M0516利用其內部集成的PWM發(fā)生器產(chǎn)生四路互差90°的同頻方波信號。每個PWM發(fā)生器包括兩個16位計數(shù)器、兩個16位比較器及一個可編程的死區(qū)發(fā)生器，可產(chǎn)生兩路帶死區(qū)的方波信號。其中計數(shù)器用于控制方波信號的頻率，比較器用于控制方波信號的占空比。此外該計數(shù)器和比較器都具有緩存功能，即在當前周期的任意處改變計數(shù)器或比較器的初始值，該值在下一周期開始時才被更新。本文正是利用該緩存功能實現(xiàn)方波信號的相位差控制與調節(jié)。

M0516輸出的方波信號的頻率f、頻率分辨率If、占空比D、占空比分辨率ID及相位差分辨率Ip分別:

式中:fCLK為時鐘頻率，范圍為4～50 MHz;N為計數(shù)器初始值，考慮到中斷響應時間，范圍為10～65535;M為比較器初始值，范圍為0～65535。因此M0516輸出的方波信號的頻率范圍為61 Hz～5 MHz，占空比范圍為0～100%，相位差范圍為0°～360°，且當方波信號頻率為40 kHz時，頻率分辨率為32 Hz，占空比分辨率為0.08%，相位差分辨率為0.288°。

1.3 功率放大電路

為防止功率放大電路對控制部分的干擾，需在功率放大前進行光耦隔離。功率放大電路可用推挽逆變、半橋逆變或全橋逆變實現(xiàn)。與半橋逆變、全橋逆變相比，推挽逆變電路具有結構簡單、所用器件少、通態(tài)損耗低的優(yōu)點，特別適用于電源電壓較低的場合［4］。

圖2 推挽逆變電路

如圖2所示，推挽逆變電路由兩個開關管和變壓器組成，兩個開關管在互補方波信號的控制下周期性交替導通，在變壓器原邊產(chǎn)生相反的電流，在副邊感應出交變的電壓信號。根據(jù)超聲波電動機的功率和工作頻率，開關管選用MOS管IRF530。在圖2中，Y1、Y2為開關管驅動電路輸出的兩路互補方波信號;電阻R1和電容C1構成吸收電路，用于防止變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓對開關管產(chǎn)生過壓沖擊。

1.4 開關管驅動電路

為保證開關管的快速導通，驅動電路應能提供足夠大的充電電流，使柵源間電壓迅速上升到所需值且不產(chǎn)生震蕩。在導通期間，驅動電路應能保證柵源間電壓保持穩(wěn)定，使開關管可靠導通［5］。

IR4427是一款MOSFET專用驅動芯片，其輸出電壓為 6～20 V，輸出峰值電流為 1.5 A，可將M0516輸出的5 V方波信號轉換成開關管IRF530所需的驅動信號。在圖3中，X1、X2為光耦隔離輸出的兩路互補方波信號;電阻R3、R4是為了防止電路中的寄生感抗和開關管結電容發(fā)生諧振，避免導致開關管柵極產(chǎn)生震蕩尖峰;電阻R5、R6是為了防止開關管的高輸入阻抗耦合噪聲信號給開關管，避免導致開關管異常開通;穩(wěn)壓管Z1、Z2是為了保證開關管柵源電壓的穩(wěn)定，且防止柵源電壓過高導致的開關管失效;二極管D1、D2是在開關管關斷時，為柵極電荷提供低阻抗放電回路，提高開關管的關斷速度。

圖3 開關管驅動電路

1.5 匹配電路

推挽逆變電路產(chǎn)生的兩路相差90°的功率方波信號，需經(jīng)過匹配電路，濾掉諧波成分，并減少無功損耗，才能較好地驅動超聲波電動機。由于超聲波電動機在諧振頻率附近工作時呈容性，一般采用串聯(lián)電感進行匹配。串聯(lián)電感值計算如下:

式中:ω為電機諧振角頻率;R為定子機械損耗的等效電阻;C為電機夾持電容;L為匹配電感。

2 系統(tǒng)軟件設計

主程序流程如圖4所示。該程序主要實現(xiàn)兩部分功能，一部分是串口通訊，另一部分是產(chǎn)生四路互差90°的同頻方波信號。串口通訊是為了向M0516發(fā)送方波信號的頻率、相位差、占空比等控制信號，便于實現(xiàn)調頻、調相和調壓。這里主要介紹四路互差90°的同頻方波信號的軟件實現(xiàn)。

圖4 主程序流程圖

1.2 節(jié)中已提到方波信號的頻率是由計數(shù)寄存器的值控制，方波信號的占空比是由比較寄存器的值控制。下面介紹方波信號的相位差實現(xiàn)。

如圖5所示，首先初始化PWM1的頻率為f1，PWM2的頻率為，即PWM2周期為PWM1周期的倍，然后使能PWM1、PWM2同時運行，最后重新將PWM2的頻率設置為 f1。由于 1.2節(jié)中提到PWM計數(shù)器具有緩存功能，因此使能PWM1、PWM2同時運行后，不會立即更新PWM2的計數(shù)器初始值，即不會立即改變PWM2的頻率，只當PWM2的一個周期完成時，才會自動改變PWM2的頻率，使其與 PWM1的頻率相同。因此PWM2相對于PWM1在相位上相差90°，頻率仍然相同。由上述分析可知，只要調整PWM2最初的頻率，便可產(chǎn)生不同的相位差。綜上所述，M0516可產(chǎn)生一定頻率、相位差及占空比的方波信號，且頻率、相位差及占空比可調。

圖5 兩路相差90°的方波信號示意圖

3 實驗結果

圖6(a)驅動電路實物，該驅動電路可產(chǎn)生兩路具有一定相位差的高頻高壓正弦信號，能較好地驅動超聲波電動機，且能方便地實現(xiàn)調頻、調相和調壓。用此電路驅動Φ60超聲波電動機，驅動信號頻率為40.8 kHz，實驗結果如下:圖6(b)為四路互差90°的開關管驅動信號，峰峰值為10 V;圖6(c)為不帶電機時驅動電路輸出的兩路相差90°的方波信號，峰峰值約為180 V;圖6(d)為帶電機時驅動電路輸出的兩路相差90°的正弦信號，其峰峰值約為370 V。

圖6 驅動電路實物及實驗結果

4 結 語

本文設計了一款基于NuMicro M0516的超聲波電動機驅動電路，從硬件和軟件兩方面介紹了該系統(tǒng)，并進行了驅動實驗。該驅動電路采用M0516作為控制器，不僅能方便地實現(xiàn)調頻、調相和調壓，而且將信號發(fā)生、分頻分相、占空比、死區(qū)設置等功能都整合到M0516中，極大地提高了電路的穩(wěn)定性與可靠性，縮小了電路的體積。此外該驅動電路成本低，通用性強，有利于市場化和產(chǎn)業(yè)化。

［1］胡敏強，金龍，顧菊平.超聲波電機原理與設計［M］.北京:科學出版社，2005，1 －20.

［2］段小匯，莫岳平，張新星.基于ARM的超聲波電動機嵌入式驅動控制系統(tǒng)［J］.微特電機，2009，37(12):59 －60，69.

［3］王波，郭吉豐.基于低通濾波的新型超聲波電機控制系統(tǒng)［J］.浙江大學學報，2011，45(1):157 －162.

［4］張華，曹祥紅.小型化超聲波電動機驅動控制器設計［J］.微特電機，2008，36(11):47 －49.

［5］樂曉蓉，王念春.基于IR2103的方波逆變電路設計與分析［J］.電源技術應用，2009，12(2):30－32.