行波超聲電動機驅動控制系統(tǒng)設計

摘要：提出基于8254的行波超聲電動機驅動計算機控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)電路簡單，對二個相差90°的方波驅動信號控制相當方便。實驗結果表明：系統(tǒng)不僅可實現頻率和相位控制，并具有角度控制精確和克服溫度漂移頻率自動跟蹤性能。

關鍵詞：超聲電動機；同步信號；計算機控制系統(tǒng)

超聲電動機是近年來出現的一種集電機、精密機械、電子技術、計算機技術和功能材料等于一體的新型高科技產品。它以無噪聲、大轉矩、響應速度快、不受磁場影響、控制性能好等特點，不僅可用于工業(yè)設備、儀器儀表、計算機外設、辦公自動化和家用電器上，而且可用于機器人、汽車、生物醫(yī)學工程、航空學工程、航空航天和軍事設備上。因此，超聲電動機被譽為新世紀的“綠色電動機”^[1]。

由于超聲電動機是利用摩擦傳動的，定子和轉子之間的滑差率不能完全確定，其諧振頻率會隨著溫度而變化，因此，實際應用時需要對位置、速度和力矩進行控制。另外，超聲電動機驅動電路是在高頻、高壓條件下驅動的容性負載，故效率比較低，致使超聲電動機的工作頻率比較低。定子諧振頻率非常敏感于負載、環(huán)境條件，以及定子和轉子之間的摩擦特性。因此，驅動控制系統(tǒng)中必須有自動跟蹤諧振頻率變化電路，以保持驅動頻率總處于最佳的范圍^[2]。本文提出基于計算機常用8254芯片的行波超聲電動機的驅動控制方法，將變頻、變相控制方案有機地結合在一起，通過計算機實時控制，實現了行波超聲電動機的精確角度控制和運行速度控制。

1 計算機控制系統(tǒng)組成及其原理

行波超聲電動機要求輸入二相交流電以產生定子環(huán)內部的行波運動，由于行波超聲電動機的一相等效電路為容性電路，故可將方波信號中的高次諧波濾掉而形成正弦波。因此，要求所構成的系統(tǒng)能夠產生二相電壓有效值相等、頻率相同的方波信號以驅動行波超聲電動機，控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 驅動控制系統(tǒng)框圖

根據二路方波信號相位差與定子環(huán)表面質點運動軌跡的關系可以確定，如果二路信號相位差90°（電角度）時，電動機處于最佳工作狀態(tài)。通過改變相位差，可對位置、速度和力矩進行控制；為了防止諧振頻率隨環(huán)境溫度的變化而發(fā)生漂移，可通過對輸出方波信號頻率進行控制，達到抑制諧振頻率的漂移^[3]。

方波發(fā)生器在單片機控制下，可產生兩路相同頻率、一定相位差的方波信號，作為驅動電路的輸入控制信號；同步電路根據變頻、調相的時序要求，單片機按序啟動方波發(fā)生器，使兩路信號具有一定的相位差；頻率、相位差選擇電路作為系統(tǒng)與操作者的人機接口；驅動部分為一推挽式逆變電源，提供超聲電動機所需的驅動電流；單片機可對反饋頻率檢測，使驅動信號頻率保持與壓電振子固有頻率一致。

2 方波發(fā)生器設計

8254是一種常用的可編程定時/計數器，具有三個獨立的16位計數器，每個計數器有六種工作方式，其計數速度可達10MHz^[4]。系統(tǒng)硬件電路的原理如圖2所示。硬件電路是以8254產生二路方波信號及二路方波信號相位差的控制信號。計數器0和計數器1工作于方式3，即方波頻率發(fā)生器方式。以產生二路同頻率方波信號，并通過改變計數器數值實現變頻控制。計數器2工作于0方式，即終止計數中斷方式，用來控制計數器1允許與停止計數，使其滯后于計數器0數個時鐘脈沖才開始計數，以便獲得具有一定相位差的二路方波信號，且通過改變計數器2的計數值實現二路方波信號相位差的控制。工作于最小模式時，8254的WR由微機WR和IOWC通過或門產生；工作于最大模式時，8254的WR與IOWC連接。

圖2 方波發(fā)生器硬件框圖