TRUM相移PWM信號(hào)控制器的研究與設(shè)計(jì)

董硯，李國慶，荊鍇，石樂樂

（1.河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué)河北省控制工程技術(shù)研究中心，天津 300130）

TRUM相移PWM信號(hào)控制器的研究與設(shè)計(jì)

董硯1,2，李國慶1,2，荊鍇1,2，石樂樂1,2

（1.河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué)河北省控制工程技術(shù)研究中心，天津 300130）

針對行波型旋轉(zhuǎn)超聲波電機(jī)（TRUM）設(shè)計(jì)了一種用于兩相H橋驅(qū)動(dòng)電路的相移PWM信號(hào)控制器．控制器以CPLD和HIP4081A為核心，通過邏輯運(yùn)算，輔以信號(hào)、電平處理電路，獲得頻率、相位可控的PWM信號(hào)，分別在硬件電路和軟件設(shè)計(jì)算法中做了相應(yīng)的改進(jìn)，提高了軟件資源利用率，實(shí)現(xiàn)了TRUM兩相H橋驅(qū)動(dòng)電路的控制．并從驅(qū)動(dòng)電壓能量利用率的角度，分析了PWM信號(hào)相位差與輸出電壓的關(guān)系，為控制器參數(shù)設(shè)置提供了理論依據(jù)．最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制器控制下的H橋驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓的性能，輸出電壓能滿足電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求．

TRUM；H橋驅(qū)動(dòng)電路；HIP4081A；PWM信號(hào)控制；CPLD

0 引言

行波型旋轉(zhuǎn)超聲波電機(jī)（Travelling-wave Rotation Ultrasonic Motor，TRUM）是一種應(yīng)用廣泛的超聲波電機(jī)．不同于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，這類電機(jī)依靠壓電陶瓷激發(fā)定子彈性體的高頻微幅振動(dòng)，依靠摩擦來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子[1]．這一類電機(jī)具有低噪聲運(yùn)行、轉(zhuǎn)矩密度大、瞬態(tài)響應(yīng)快、無電磁干擾、位置分辨率高等特點(diǎn)，在高端精密運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用前景廣闊[2]．因TRUM需要兩相互差90°的高頻正弦電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路的性能直接影響電機(jī)整體的控制性能．H橋式驅(qū)動(dòng)電路在輸出效率、電壓諧波、機(jī)端電壓線性度等方面將優(yōu)于應(yīng)用較為廣泛的推挽式電路[3-4]．但是，受電路結(jié)構(gòu)的約束以及驅(qū)動(dòng)電路對控制信號(hào)的要求較高，目前的H橋PWM信號(hào)控制器存在硬件電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜及軟件資源占用量大等問題，且輸出電壓頻率、相位不易調(diào)節(jié)，影響TRUM控制的靈活性和效率[5-6]．因此本文提出一種相移PWM信號(hào)控制器，將利用CPLD工作速度快，開發(fā)效率高，成本低，可靠性好的特點(diǎn)[7]，以簡單的軟件邏輯結(jié)構(gòu)，輔以HIP4081A為核心的信號(hào)、電平處理電路，來實(shí)現(xiàn)兩相H橋PWM控制信號(hào)的輸出及頻率、相位的可控．文中還將利用能量利用率理論分析了PWM信號(hào)相位差對輸出電壓的影響，為控制器參數(shù)選擇提供理論依據(jù)．最后，通過實(shí)驗(yàn)對所設(shè)計(jì)的PWM信號(hào)控制器進(jìn)行測試，根據(jù)輸出TRUM的驅(qū)動(dòng)電壓來驗(yàn)證控制器的性能．

1 PWM信號(hào)控制電路硬件的改進(jìn)

圖1所示為TRUM H橋驅(qū)動(dòng)控制電路的基本結(jié)構(gòu)框圖，圖中功率MOSFET開關(guān)器件M1～M8分2組構(gòu)成2個(gè)H橋，分別對于電機(jī)的A、B兩相，在8路PWM控制信號(hào)PWM 1、PWM 2、…、PWM 8的控制下，將直流電轉(zhuǎn)化為互差90°的兩相高頻方波驅(qū)動(dòng)電壓u0，再通過升壓變壓器TA、TB升壓，利用串聯(lián)匹配電感和超聲波電機(jī)中的容性壓電陶瓷片所構(gòu)成的LC諧振電路，LC諧振電路的第1個(gè)作用是濾除3次以上諧波，第2個(gè)作用是實(shí)現(xiàn)2次升壓，并使得電機(jī)端的電壓近似正弦波．

圖1 TRUM H橋驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of TRUM's control circuit drived by H bridge

輸出8路PWM信號(hào)，通常直接由CPLD通過邏輯程序得到，并結(jié)合特定的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對H橋的控制．而本文在CPLD的基礎(chǔ)上選用了2個(gè)HIP4081A構(gòu)成兩相H橋驅(qū)動(dòng)輔助電路．對于每相電路，由CPLD輸出2路PWM控制信號(hào)，自動(dòng)產(chǎn)生1個(gè)H橋的4路控制信號(hào)．其中針對上橋臂由自舉電路拉高柵源電壓，保證上橋臂的正常開關(guān)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)還包含1組橋臂死區(qū)時(shí)間的硬件設(shè)置．于是，只需要CPLD提供Q0Q34路PWM信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)對兩相H橋電路的控制．

如圖2，以A相H橋?yàn)槔?，供給HIP4081A的2路PWM信號(hào)Q0、Q1與H橋上橋臂所需信號(hào)相同，即PWM 1和PWM 3，如圖2所示，為2個(gè)信號(hào)的相位差，決定了輸出方波電壓的占空比．B相同理，其與A相互差90°．

此外HIP4081A具有能控制所有輸入的禁止端DIS，該引腳為1時(shí)為禁止，為0時(shí)為使能，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)停車的即時(shí)控制，以及與外接元器件組成保護(hù)電路．

綜上所述，基于HIP4081A的改進(jìn)型PWM信號(hào)控制器使得硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，還減少了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，使得資源利用率更高．

圖2 相移PWM控制信號(hào)示意圖Fig.2 Schematic diagram of phase shift PWM signal

2 半周期計(jì)數(shù)比較多PWM信號(hào)控制邏輯的設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)圖1中供給HIP4081A的4路頻率可控但存在相位差的PWM信號(hào)，本文將采用一種資源占用量較少的方法來實(shí)現(xiàn)，其CPLD結(jié)構(gòu)如圖3所示．

通常采用計(jì)數(shù)器和加法器來實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)，且需要計(jì)滿1個(gè)周期，計(jì)數(shù)器的值才能清零，再將計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與偏移量作為加法器的輸入，通過加法器的加法運(yùn)算之后，將加法器輸出的最高位（MSB）作為兩相H橋4個(gè)上橋臂開關(guān)器件的PWM控制信號(hào)，又因上、下橋臂開關(guān)器件的PWM信號(hào)互補(bǔ)，還需要對MSB信號(hào)取非，進(jìn)而得到8路PWM信號(hào)．

而本文在CPLD中設(shè)計(jì)一個(gè)N位的可控單增計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)動(dòng)作以外部時(shí)鐘clk上升沿觸發(fā)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值只要達(dá)到上限值設(shè)為max就可以清零，且max可調(diào)，計(jì)數(shù)器的上限值對應(yīng)PWM信號(hào)的半個(gè)周期，通過調(diào)整計(jì)數(shù)器的上限值max，可以靈活地實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功能；然后將計(jì)數(shù)數(shù)值cnt送入4個(gè)N位比較器，分別與設(shè)定的4個(gè)偏移量pi（i=0,1,…,3, pi＜max）比較，當(dāng)cnt=pi時(shí)，令輸出信號(hào)Qi翻轉(zhuǎn)，即邏輯“0”變換為邏輯“1”，邏輯“1”變換為邏輯“0”．這樣，計(jì)數(shù)器每從0計(jì)滿max，這1個(gè)周期內(nèi)4路信號(hào)Qi均將在固定的計(jì)數(shù)值處執(zhí)行1次翻轉(zhuǎn)，如圖4所示，于是產(chǎn)生4路占空比為50%的方波信號(hào)，其相位由偏移量以及Qi的設(shè)定初值決定，因此可以方便地調(diào)節(jié)相位差．其中Qi的頻率取決于時(shí)鐘頻率fclk以及計(jì)數(shù)上限max：

上述可調(diào)參數(shù)，如計(jì)數(shù)上限max、4個(gè)偏移量pi以及Qi初值均由前一級(jí)控制器通過數(shù)據(jù)總線給定，存于寄存器中，或直接在CPLD中設(shè)定．如果Q3Q2Q1Q0取4'b0101，p0=p1=0，p2=p3=max/2，得到=，A相超前B相90°的輸出電壓；如果Q3Q2Q1Q0取4'b1001，偏移量與p1上相同，則B相超前A相，電機(jī)相對前者反向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)．

圖3 相移PWM信號(hào)生成的CPLD邏輯框圖Fig.3 Logic block of CPLD for generating the phase shift PWM signal

圖4 信號(hào)發(fā)生器波形示意圖Fig.4 Schematic of square wave generation

通過采用硬件描述語言（Verilog HDL）并在Quartus II環(huán)境下調(diào)用第3方軟件Modelsim進(jìn)行邏輯仿真，得到所需的4路PWM信號(hào)．

4路PWM信號(hào)仿真結(jié)果如圖5所示，PWM信號(hào)頻率為41.1 kHZ，當(dāng)電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，偏移量的設(shè)置分別為p0=0，p1=0，p2=238，p3=238，相位差為，當(dāng)電機(jī)處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，偏移量的設(shè)置分別為p0=0，p1=180，p2=243，p3=423，相位差可調(diào)節(jié)為0.8．

改進(jìn)之后的算法，不僅能夠靈活地實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)相的功能，還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)同時(shí)結(jié)合改進(jìn)的硬件電路可知，只需要CPLD產(chǎn)生4路可調(diào)頻、調(diào)相的PWM信號(hào)即可，減少了開發(fā)成本，提高了軟件資源的利用率．

圖5 CPLD仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of CPLD

3 能量利用率最優(yōu)的相移PWM信號(hào)

圖6 諧波幅值與信號(hào)相位差的關(guān)系Fig.6 Relationship between harmonic amplitude and signal phase

圖7 能量利用率與信號(hào)相位差的關(guān)系Fig.7 Relationship between energy efficiency and signal phase

圖8 CPLD仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of CPLD

4 實(shí)驗(yàn)測試

本文以TRUM 60-A型行波型旋轉(zhuǎn)超聲波電機(jī)為對象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，PWM控制器的外部時(shí)鐘40 MHz，H橋直流母線電壓24 V．

圖9為A相方波電壓（變壓器輸出端）以及A相機(jī)端電壓的實(shí)測波形，頻率為41 kHz，變壓器變比為1: 6，使電壓峰值升到-144 V～144 V左右，再經(jīng)LC諧振升壓，得到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波驅(qū)動(dòng)電壓，最大值可達(dá)240 V．

通過設(shè)置合適的4路偏移量，由CPLD輸出PWM信號(hào)控制H橋電路，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行．實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10為A、B兩相驅(qū)動(dòng)正弦電壓波形，頻率為41 kHz，A、B兩相相位差90°，最大值均為240 V，滿足驅(qū)動(dòng)超聲波電機(jī)的電壓條件．

圖9 A相電機(jī)端電壓及A相變壓器輸出端實(shí)測波形Fig.9 A-phase voltage waveforms

圖10 兩相電機(jī)端驅(qū)動(dòng)電壓波形Fig.10 D riving voltage waveform s of the two phases

5 結(jié)論

本文基于CPLD和HIP4081A設(shè)計(jì)了一種TRUM相移H橋PWM信號(hào)控制器，利用邏輯運(yùn)算，得到頻率、相位可控的PWM信號(hào)．分別在硬件電路和軟件設(shè)計(jì)算法中作了相應(yīng)的改進(jìn)，提高了軟件資源利用率，實(shí)現(xiàn)了TRUM兩相H橋驅(qū)動(dòng)電路的控制．文中還根據(jù)能量利用率分析了單相PWM信號(hào)相位差對輸出驅(qū)動(dòng)電壓的影響，為控制器設(shè)置合適的相位差提供了依據(jù)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制器實(shí)現(xiàn)了對H橋輸出電壓的靈活控制，驗(yàn)證了該信號(hào)控制器的實(shí)用性．

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A research and design of phase-shifting PWM signal controller for TRUM

DONG Yan1,2，LI Guoqing1,2，JING Kai1,2，SHI Lele1,2

(1.School of Control Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.Hebei Control Engineering Technology Research Center,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

In this paper,a new phase-shift pulse-width modulation(PWM)controller for two-phase H-bridge driving circuit of the traveling w ave type rotary ultrasonic motor(TRUM)has been designed.The controller,w hich is based on com plex programmable logic device(CPLD)and HIP4081A,w ill generate the PWM signals w ith controllable frequency and phase for the two-phase H-bridge of TRUM,which is designed through simp le signal logic operation and supp lemented by signal processing and level translating peripheral circuit.The software resource utilization is improved by modified hardw are circuit and control algorithm.The relationship between phase difference of the PWM signal and the output voltage of the H-bridge has been analyzed to be a theoretical basis for parameter setting by energy efficiency. Finally,under the control of the designed controller,the output voltage of the H-bridge driving circuit is verified by experiments,which meets the demands of the motor driving.

TRUM;H-bridge driving circuit;HIP4081A;PWM signal control;CPLD

TM 921.51

A

1007-2373(2015)06-0007-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.06.002

2015-03-15

河北省重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（13041709Z）；河北省自然科學(xué)基金（E2013202108）；河北省發(fā)改委項(xiàng)目（2013）

董硯（1973-），女（漢族），教授，博士生導(dǎo)師．

數(shù)字出版日期：2015-11-24數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20151124.0905.006.htm l