抑制超聲波電機溫度變化的應用設計

李艷娟，朱艷芳，胡琪波

(湖北三江航天紅峰控制有限公司，湖北 孝感432000)

抑制超聲波電機溫度變化的應用設計

李艷娟，朱艷芳，胡琪波

(湖北三江航天紅峰控制有限公司，湖北 孝感432000)

介紹了超聲波電機的優點及工作原理，并對超聲波電機在實際應用過程中溫度變化、發熱嚴重的問題進行了分析，提出了一種有效的通過控制電機轉速的方法來抑制超聲波電機溫度變化的解決方法。

超聲波電機；溫度變化；解決方法

0 引言

超聲波電機(Ultrasonic motor，USM)是國內外日益受到重視的一種新型直接驅動電機，其運行機理是建立在壓電逆效應原理基礎之上，以其不同于傳統電磁電機的獨特優勢近年來得到迅猛發展。超聲波電機具有低速大轉矩、運行無噪音、功率密度大、無電磁干擾、可斷電自鎖等優點。但是，超聲電機在運行過程中存在熱損耗、溫度變化和摩擦損耗等現象是無法避免的缺點。雖然超聲波電機存在發熱嚴重的現象，但自超聲波電機問世以來仍然發展迅速，主要是因為超聲電機的優點使得它非常適合于非連續運動的伺服控制及直接驅動。目前它已被成功應用于航空航天、微機電系統、精密定位裝置、汽車、照相機等領域[1]。

本文介紹了超聲波電機在慣組標定設備中的應用，并提出了一種新型抑制超聲波電機溫漂升高的解決方法，應用過程中取得了較好的效果。

1 慣組標定設備工作原理

慣組標定設備主要用于完成慣組的角度標定測量，由控制電路、電機驅動電路、超聲波電機、旋轉變壓器及相關電纜組成。慣組標定設備工作原理如圖1所示，其工作原理是：上位機通過RS422通信接口給定目標位置信號，與旋轉變壓器反饋信號、溫度反饋信號經過控制電路形成閉環，得到綜控信號∑來驅動控制超聲波電機的啟停和速度，從而使慣組達到目標位置。

圖1 慣組標定設備工作原理框圖Fig.1 The block diagram of calibration equipment of inertial navigation set

2 硬件設計

2.1 控制電路設計

控制電路主要由MCU單片機、頻率控制電壓輸出電路、溫度采樣電路、旋轉變壓器解碼反饋電路、供電電源等部分組成。單片機(型號為PIC18F4431-1/PT)主要完成接收上位機目標信號，接收電機溫度變化信號，接收旋轉變壓器反饋信號，通過軟件運算輸出驅動電路所需的電壓信號以及電機的方向信號和啟停信號。

頻率控制電壓輸出電路、溫度采樣電路如圖2所示。為提高系統的標定精度和超聲波電機運行速度平穩，本文采用了高精度的14bitDA芯片和溫度采樣電路進行設計。

旋轉變壓器解碼反饋電路通過AD2S12A0解碼芯片完成[2]，本文不做詳細介紹。

圖2 控制電路設計原理圖Fig.2 The scheme of control circuit

2.2 驅動電路設計

本文采用目前較成熟的超聲波電機調頻工作方式進行調節超聲波電機的運行速度，原理如圖3所示，主要由可調壓控振蕩發生器、四分頻分相器和功放匹配電路三部分組成。

可調壓控振蕩發生器可產生頻率隨CONTROL電壓信號變化的基準方波頻率信號；四分頻分相器可將基準方波頻率信號生成四路時間上互差90°的方波信號、頻率為基準方波頻率的1/4；功放匹配電路將該信號放大，生成兩相相差90°的正弦功率信號。其設計電路圖如圖4所示[3]。

圖4 超聲電機驅動電路圖Fig.4 The drive circuit of ultrasonic motor

位置閉環可通過單片機根據上位機給定的目標位置與旋轉變壓器當前位置，產生DIR方向信號和JU_ST啟停信號。

速度閉環可通過單片機輸出調節壓控振蕩器的輸入電壓來控制輸出頻率，使該頻率在35～38kHz之間(本文選用的超聲波電機型號為USM80系列)，通過單片機輸出固定三個D/A值，使之分別對應電機轉速為5rad/min、15rad/min、20rad/min。

溫度閉環主要起到電機保護作用。當溫度過高或過低后，超聲波電機內部通過熱敏電阻感應到溫度變化，當溫度達到上限和下限極限值時，單片機發出JU_ST啟停信號或改變D/A值降低超聲電機的速度，從而達到保護電機的目的。

依據電機廠家標定的最高溫度、最低溫度對應的熱敏電阻值和溫度與熱敏電阻的線性關系y=ax+b(其中：y代表熱敏電阻阻值、x代表溫度)，可推算出任意溫度下對應的熱敏電阻值。通過采集該熱敏電阻上的電壓計算出目標設定的溫度上限和下限，從而在軟件中實現對電機的溫度保護。

3 軟件設計

軟件設計主要包括兩部分：CPLD時序軟件設計和控制算法軟件設計[4]。

3.1 CPLD時序控制軟件

AD2S1210對地址和數據寫入的時序要求較高，要從AD2S1210中讀取位置或者速度信息時，首先要由SAMPLE的一個下降沿把數據從位置和速度積分器中送到寄存器中，并且保持100ns保證數據的正確鎖存，在SAMPLE由高到低后150ns才能通過置低RD讀取相應寄存器的數據。通過大量試驗驗證，該時序能有效完成數據的轉換。CPLD時序控制流程圖如圖5所示。

圖5 時序控制流程圖Fig.5 The flow chart of time order control

3.2 控制算法軟件

主程序及控制算法模塊是整個控制程序的核心，包括旋轉變壓器的信號采集計算、溫度信號采集計算、上位機信號接收、控制頻率的D/A產生、方向信號、啟停信號。控制算法軟件按功能分成三大部分：位置環閉環、速度環閉環和溫度環閉環設計?？刂扑惴鞒虉D如圖6所示。

圖6 控制算法流程圖Fig.6 The flow chart of control algorithm

4 實驗驗證

電機在空載運行時驅動電壓波形如圖7所示。頻率和電壓均可在電機運轉中調節，本方案簡化了電機的調節過程、提高了電機速度的可控性。

分別用±6V的正弦信號、+1V階躍信號對超聲電機伺服機構進行了初步測試，其測試圖形如圖8、圖9所示。

以上測試圖形中，黑色線表示外部參考信號，紅色線表示實際位置反饋信號。從三種信號的測試圖形來看，超聲電機伺服機構具有較好的跟隨能力、定位精度以及穩定性。

圖7 驅動電壓波形Fig.7 The test wave of drive voltages

圖8 ±6V正弦波測試波形Fig.8 The test wave of ±6V sine wave signals

圖9 +1V階躍測試波形Fig.9 The test wave of +1V step signal

5 結束語

通過以上分析和論述，完成了超聲電機系統伺服機構設計方案，并對該方案進行了實驗驗證，該伺服系統具有精度高、穩定性好、抗電磁干擾能力強等優勢。同時，該方案設計的舵伺服系統具有體積小、重量輕、輸出力矩大、斷電自鎖力矩大等特點。因此，超聲波電機伺服機構將成為未來伺服系統發展的一個重要方向。

[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，2005：13-20.

[2] 黃建國，陳 曉.基于雙通道旋轉變壓器的智能編碼器設計[J].現代雷達，2009：46-80.

[3] 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，2005：120-139.

[4] 金龍，禇國偉，等.基于DSP的超聲波電機控制系統[J].電工技術學報，2004，19(8)：93-98.

An Application Research on Restraint in Temperature Change for Ultrasonic Motor

LI Yan-juan，ZHU Yan-fang，HU Qi-bo

(Hubei Sanjiang Space Hongfeng Control Co.，Ltd.，Xiaogan 432000，China)

The advantages and the working principles of ultrasonic motor and analysis on the problems of severe temperature changing of ultrasonic motor in the practical application are introduced.An effective approach to restrain the temperature drift of ultrasonic motor by controlling the speed of the motor has been provided.

Ultrasonic motor；Temperature change；Approach

2015-04-26；

2015-07-31。

李艷娟(1983-)，女，碩士，工程師，主要從事電路系統設計。E-mail:liyanjuan19021511@163.com

TP311.1

A

2095-8110(2016)01-0047-06