基于PSoC的直線型超聲波電動機(jī)精密定位系統(tǒng)

夏孝云，李華峰，姚志遠(yuǎn)

(南京航空航天大學(xué)，江蘇南京 210016)

0 引 言

隨著科技的不斷發(fā)展，對運動平臺的精度要求越來越高。精密運動平臺已成為當(dāng)今社會的前沿科學(xué)，是工程技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的精密工作臺采用精密絲杠及滾動(或滑動)導(dǎo)軌、齒輪－杠桿式機(jī)構(gòu)等機(jī)械傳動式微位移驅(qū)動器。由于機(jī)械摩擦、間隙等原因，其運動精度、定位精度很難達(dá)到亞微米量級，且系統(tǒng)傳動鏈長、附加慣量大、剛度低，導(dǎo)致平臺精度不易提高。直線電磁電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電磁兼容性差、制造和維護(hù)成本高，須附加隔磁和防塵等保護(hù)措施和復(fù)雜的控制系統(tǒng)。而超聲波電動機(jī)驅(qū)動的平臺具有傳動鏈短(可直接驅(qū)動)、位置分辨率高(nm級)、結(jié)構(gòu)簡單、電磁兼容性好、噪聲小、環(huán)境適應(yīng)性好(真空、高低溫、振動)、可控性強(qiáng)(響應(yīng)時間ms級、斷電自鎖)、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。

本文以自制的U型直線超聲波電動機(jī)［2］為控制對象，研究其精密定位控制方法［3－5］，電機(jī)如圖1所示。電機(jī)工作頻率約為119 kHz，工作電壓200 Vpp，2相工作，每相靜態(tài)電容約為52 pF。以下實驗結(jié)果都是以此電機(jī)為研究對象得到的。

圖1 U型直線超聲波電動機(jī)

1 驅(qū)動控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

圖2 分立元件驅(qū)動控制框圖

目前較成熟的超聲波電動機(jī)驅(qū)動控制器有兩種，它們的框圖分別如圖2和圖3所示。圖2為使用分立元件的驅(qū)動控制框圖，圖 3為使用MCU加CPLD的驅(qū)動控制系統(tǒng)。第一種是由頻率產(chǎn)生部分、分頻分相部分、功率放大/電感匹配部分等組成。由于使用分立的邏輯器件構(gòu)成，而分立元件參數(shù)的溫變比較嚴(yán)重，導(dǎo)致振蕩源的頻率穩(wěn)定性較差，存在著諸如體積大、效率低、穩(wěn)定性差、維護(hù)難等缺點。第二種是基于MCU加CPLD的超聲波電動機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)，它代替了第一種的眾多分立元件，雖然在一定程度上縮小了驅(qū)動器的體積，也便于加入復(fù)雜的算法，但還沒有真正實現(xiàn)單片化。

圖3 CPLD驅(qū)動控制框圖

2 PSoC3驅(qū)動控制系統(tǒng)

本文提出了以 PSoC3［1］為核心的驅(qū)動控制系統(tǒng)。PSoC3為Cypress公司的第三代嵌入式微控制器，它有效地將高速處理器、數(shù)字和模擬資源集成到一個芯片上。開發(fā)人員只需根據(jù)設(shè)計的需要，選擇適當(dāng)?shù)墓δ苣K，搭建自己的工程系統(tǒng)。高度的集成化使得用戶的設(shè)計快速高效且節(jié)省元器件，因此它為驅(qū)動器的小型化提供了新的思路，可實現(xiàn)真正的單片化。

圖4為直線型超聲波電動機(jī)控制系統(tǒng)的簡單構(gòu)成圖，由驅(qū)動信號產(chǎn)生、功放/匹配電路、超聲波電動機(jī)、位移反饋回路等組成。采用PSoC3作為信號產(chǎn)生單元和功能控制單元，功放部分采用推挽型變換器，以串聯(lián)電感形式匹配，直線型光柵尺分辨率為0.5 μm。

圖4 系統(tǒng)總體框圖

3 系統(tǒng)各部分構(gòu)成

3.1 驅(qū)動信號產(chǎn)生

直線超聲波電動機(jī)精密定位的一個關(guān)鍵問題是精確控制超聲波電動機(jī)驅(qū)動信號的脈沖數(shù)，PSoC3的脈沖寬度調(diào)制模塊(PWM)正可實現(xiàn)此功能。PWM模塊提供了比較輸出，用于產(chǎn)生單獨或連續(xù)的時序和控制信號，提供了一種簡單的方法來產(chǎn)生精確的復(fù)雜實時事件。PWM模塊可以產(chǎn)生最多兩個左/右對齊的PWM輸出，1個中心對齊或雙沿PWM輸出。PWM輸出被雙緩沖用于避免由于運行時占空比改變所產(chǎn)生的毛刺。左對齊PWM是通常使用的PWM形式，中心對齊PWM經(jīng)常使用在AC電機(jī)控制來保證相位的對齊，雙沿PWM被優(yōu)化用于功率轉(zhuǎn)換，在功率轉(zhuǎn)換中必須調(diào)整相位。

可選的死區(qū)控制及可調(diào)的死區(qū)時間提供了互補(bǔ)的輸出，在每個過渡過程輸出為低。互補(bǔ)輸出和死區(qū)時間經(jīng)常用在驅(qū)動半橋配置的功率器件，以避免短路對器件造成的損害。

本文選用兩個PWM模塊，通過相應(yīng)配置，可實現(xiàn)4路PWM波形輸出。如圖5所示，其中1路2路互補(bǔ)且?guī)в兴绤^(qū)、3路4路互補(bǔ)且?guī)в兴绤^(qū)、1路和3路相位相差90°。驅(qū)動信號頻率、相位、死區(qū)及輸出個數(shù)均可實時調(diào)節(jié)。四路方波信號用于驅(qū)動推挽電路四個開關(guān)管。

圖5 驅(qū)動信號

3.2 超聲波電動機(jī)的位置檢測

本文使用PSoC3中的正交解碼模塊用于解碼光柵尺信號獲取電機(jī)位置信息。該模塊具有很強(qiáng)的靈活性:(1)可選的計數(shù)器位數(shù):8，16和32位;(2)可選的1倍，2倍或4倍光柵尺A、B相頻率;(3)可選的復(fù)位信號輸入，用于確定絕對位置;(4)可選的毛刺濾除功能，用于消除系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲。(5)可選的時鐘頻率輸入。

3.3 超聲波電動機(jī)的脈沖響應(yīng)特性

脈沖響應(yīng)特性為若干個激勵脈沖對應(yīng)的電機(jī)位移量，研究電機(jī)的這項特性具有重要的意義，它為電機(jī)的精密定位方法提供依據(jù)。傳統(tǒng)電磁步進(jìn)電動機(jī)給予一個脈沖，能走一個恒定的步距角，這是由電磁步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動信號決定的。而直線型超聲波電動機(jī)則是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和定子的超聲振動，通過定子和動子之間的摩擦作用，把定子的微觀振動轉(zhuǎn)換為動子的宏觀運動。直線超聲波電動機(jī)具有這樣一種特性:當(dāng)給定一組脈沖信號時超聲波電動機(jī)會相應(yīng)移動一定的位移。當(dāng)電機(jī)大小、形狀、共振頻率、負(fù)載等條件一定時，給定的脈沖數(shù)越多，電機(jī)移動的位移越大，基本上為一種線性關(guān)系，但是由于超聲波電動機(jī)的非線性、導(dǎo)軌的平行度、摩擦介面均勻度等因素影響，超聲波電動機(jī)的響應(yīng)特性不完全呈線性關(guān)系［6－7］，這是本文的研究的重點之一。與電磁步進(jìn)電動機(jī)的定義一樣，超聲波電動機(jī)步距定義為每一步移動的位移。

本文脈沖響應(yīng)特性的測定方法是在頻率119.2 kHz、電壓峰峰值200 V，兩相驅(qū)動電壓相位差90°的條件下，給超聲波電動機(jī)施加不同脈沖數(shù)的驅(qū)動信號，得出電機(jī)位移與驅(qū)動脈沖個數(shù)的統(tǒng)計關(guān)系，具體實現(xiàn)方法如圖4所示。上位機(jī)(PC機(jī))通過RS－232接口與下位機(jī)相連，上位機(jī)發(fā)送脈沖個數(shù)和啟動信號指令，下位機(jī)負(fù)責(zé)超聲波電動機(jī)的控制(單步驅(qū)動脈沖數(shù)的控制)和位移檢測。經(jīng)過多次反復(fù)實驗測得超聲波電動機(jī)的脈沖響應(yīng)特性，如圖6所示。

圖6 超聲波電動機(jī)的脈沖響應(yīng)特性

從圖中可以看出，超聲波電動機(jī)的單步位移(步距)隨著驅(qū)動脈沖數(shù)的增加而增加，但驅(qū)動脈沖個數(shù)小于6時電機(jī)無可測位移。

3.4 控制策略

直線型超聲波電動機(jī)具有相當(dāng)高的位置分辨率(可達(dá)30 nm)，且具有良好的步進(jìn)特性，利用這些特性可實現(xiàn)精密定位，本文稱之為脈沖步進(jìn)定位控制法。控制算法的基本思想是分段控制法，可將電機(jī)的位置控制分兩段，第一段為連續(xù)運行階段，第二段為步進(jìn)運行階段。電機(jī)的運行狀態(tài)可分為三種:連續(xù)、步進(jìn)和停止。此方法需要確定電機(jī)連續(xù)運行轉(zhuǎn)換為步進(jìn)運行時實際位置與目標(biāo)位置的距離(即步進(jìn)提前量)，如圖7所示，S1為步進(jìn)提前量，其大小應(yīng)當(dāng)根據(jù)電機(jī)的運行速度及負(fù)載慣性確定(本文不考慮負(fù)載)。本文使用光柵尺的分辨率為0.5 μm，此分辨率決定了驅(qū)動脈沖的最少個數(shù)，故當(dāng)檢測到電機(jī)位置距離目標(biāo)位置±0.5 μm時電機(jī)停止運行。

圖7 控制方法示意圖

步進(jìn)提前量S1不能選擇太大，否則會導(dǎo)致步進(jìn)運行組數(shù)太多，定位時間太長。當(dāng)超聲波電動機(jī)步進(jìn)運行時，每次給出的步進(jìn)脈沖個數(shù)N都試圖使電機(jī)運行到目標(biāo)位置，但由于電機(jī)的非線性和隨機(jī)性，不可能每次都恰好運行到目標(biāo)位置，系統(tǒng)等待電機(jī)在本次激勵停止后再次檢測并計算電機(jī)實際位置與目標(biāo)位置差，根據(jù)電機(jī)的脈沖響應(yīng)特性(圖6)決定下個步進(jìn)的脈沖數(shù)，從而實現(xiàn)目標(biāo)位置的逐次逼近。由于直線型超聲波電動機(jī)的分辨率(50 nm)遠(yuǎn)小于使用的光柵尺的分辨率(500 nm)，所以系統(tǒng)定位精度取決于光柵尺的精度。

本文使用脈沖數(shù)查表控制法。當(dāng)進(jìn)入步進(jìn)模式時每一步的脈沖數(shù)可由下式算出:

式中:ΔS=S－S(t);S為目標(biāo)位置，S(t)為t時刻的實際位置，ΔS有符號，為正時表示未到目標(biāo)位置，為負(fù)時表示已超過目標(biāo)位置，以此來判斷電機(jī)下一步運行的方向，直至到達(dá)目標(biāo)位置電機(jī)停止。Tab［］的值由實驗得出，根據(jù)圖6可得 Tab［］={0，6，10，14，18，22，26，30}，此算法相比于等脈沖數(shù)步進(jìn)算法，使用的步進(jìn)組數(shù)少，可實現(xiàn)快速準(zhǔn)確定位。

4 實驗結(jié)果

圖8為超聲波電動機(jī)照片，左側(cè)為光柵尺，右側(cè)為超聲波電動機(jī)定子，中間為動子。

圖8 超聲波電動機(jī)照片

圖9為本文研制的PSoC3超聲波電動機(jī)驅(qū)動控制器實物圖。

圖9 驅(qū)動控制電路板

本文提出的控制方法應(yīng)用于此系統(tǒng)得出的定位效果如圖10所示。本系統(tǒng)選擇Tab的上限是11，步進(jìn)提前量S1為10 μm。當(dāng)電機(jī)距離目標(biāo)位置10 μm時進(jìn)入步進(jìn)模式，盡管超聲波電動機(jī)的步距具有非線性，此系統(tǒng)均可在3步以內(nèi)精確定位至目標(biāo)位置。

圖10 精密定位效果

5 結(jié) 語

本文采用以PSoC3為主控芯片，研制直線型超聲波電動機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了信號產(chǎn)生和控制的單片化目標(biāo)，最大限度地節(jié)約了PCB的面積，以最簡便的方式實現(xiàn)了更多更靈活的功能。本文討論了超聲波電動機(jī)步進(jìn)脈沖數(shù)的查表控制算法，可實現(xiàn)直線型超聲波電動機(jī)的精密定位，定位精度可達(dá)0.5 μm，實驗結(jié)果表明這種控制方法簡單快速，此定位方法可用于各種高精度定位場合。

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