抑制超聲波電機(jī)溫度變化的應(yīng)用設(shè)計(jì)

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(jī)溫度變化的應(yīng)用設(shè)計(jì)

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(jī)的優(yōu)點(diǎn)及工作原理，并對(duì)超聲波電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中溫度變化、發(fā)熱嚴(yán)重的問題進(jìn)行了分析，提出了一種有效的通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法來抑制超聲波電機(jī)溫度變化的解決方法。

超聲波電機(jī)；溫度變化；解決方法

0 引言

超聲波電機(jī)(Ultrasonic motor，USM)是國內(nèi)外日益受到重視的一種新型直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其運(yùn)行機(jī)理是建立在壓電逆效應(yīng)原理基礎(chǔ)之上，以其不同于傳統(tǒng)電磁電機(jī)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)近年來得到迅猛發(fā)展。超聲波電機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩、運(yùn)行無噪音、功率密度大、無電磁干擾、可斷電自鎖等優(yōu)點(diǎn)。但是，超聲電機(jī)在運(yùn)行過程中存在熱損耗、溫度變化和摩擦損耗等現(xiàn)象是無法避免的缺點(diǎn)。雖然超聲波電機(jī)存在發(fā)熱嚴(yán)重的現(xiàn)象，但自超聲波電機(jī)問世以來仍然發(fā)展迅速，主要是因?yàn)槌曤姍C(jī)的優(yōu)點(diǎn)使得它非常適合于非連續(xù)運(yùn)動(dòng)的伺服控制及直接驅(qū)動(dòng)。目前它已被成功應(yīng)用于航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)、精密定位裝置、汽車、照相機(jī)等領(lǐng)域[1]。

本文介紹了超聲波電機(jī)在慣組標(biāo)定設(shè)備中的應(yīng)用，并提出了一種新型抑制超聲波電機(jī)溫漂升高的解決方法，應(yīng)用過程中取得了較好的效果。

1 慣組標(biāo)定設(shè)備工作原理

慣組標(biāo)定設(shè)備主要用于完成慣組的角度標(biāo)定測(cè)量，由控制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、超聲波電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器及相關(guān)電纜組成。慣組標(biāo)定設(shè)備工作原理如圖1所示，其工作原理是：上位機(jī)通過RS422通信接口給定目標(biāo)位置信號(hào)，與旋轉(zhuǎn)變壓器反饋信號(hào)、溫度反饋信號(hào)經(jīng)過控制電路形成閉環(huán)，得到綜控信號(hào)∑來驅(qū)動(dòng)控制超聲波電機(jī)的啟停和速度，從而使慣組達(dá)到目標(biāo)位置。

圖1 慣組標(biāo)定設(shè)備工作原理框圖Fig.1 The block diagram of calibration equipment of inertial navigation set

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制電路設(shè)計(jì)

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

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(tǒng)的標(biāo)定精度和超聲波電機(jī)運(yùn)行速度平穩(wěn)，本文采用了高精度的14bitDA芯片和溫度采樣電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

旋轉(zhuǎn)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(xì)介紹。

圖2 控制電路設(shè)計(jì)原理圖Fig.2 The scheme of control circuit

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本文采用目前較成熟的超聲波電機(jī)調(diào)頻工作方式進(jìn)行調(diào)節(jié)超聲波電機(jī)的運(yùn)行速度，原理如圖3所示，主要由可調(diào)壓控振蕩發(fā)生器、四分頻分相器和功放匹配電路三部分組成。

可調(diào)壓控振蕩發(fā)生器可產(chǎn)生頻率隨CONTROL電壓信號(hào)變化的基準(zhǔn)方波頻率信號(hào)；四分頻分相器可將基準(zhǔn)方波頻率信號(hào)生成四路時(shí)間上互差90°的方波信號(hào)、頻率為基準(zhǔn)方波頻率的1/4；功放匹配電路將該信號(hào)放大，生成兩相相差90°的正弦功率信號(hào)。其設(shè)計(jì)電路圖如圖4所示[3]。

圖4 超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.4 The drive circuit of ultrasonic motor

位置閉環(huán)可通過單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)給定的目標(biāo)位置與旋轉(zhuǎn)變壓器當(dāng)前位置，產(chǎn)生DIR方向信號(hào)和JU_ST啟停信號(hào)。

速度閉環(huán)可通過單片機(jī)輸出調(diào)節(jié)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(jī)型號(hào)為USM80系列)，通過單片機(jī)輸出固定三個(gè)D/A值，使之分別對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為5rad/min、15rad/min、20rad/min。

溫度閉環(huán)主要起到電機(jī)保護(hù)作用。當(dāng)溫度過高或過低后，超聲波電機(jī)內(nèi)部通過熱敏電阻感應(yīng)到溫度變化，當(dāng)溫度達(dá)到上限和下限極限值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出JU_ST啟停信號(hào)或改變D/A值降低超聲電機(jī)的速度，從而達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的。

依據(jù)電機(jī)廠家標(biāo)定的最高溫度、最低溫度對(duì)應(yīng)的熱敏電阻值和溫度與熱敏電阻的線性關(guān)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(duì)應(yīng)的熱敏電阻值。通過采集該熱敏電阻上的電壓計(jì)算出目標(biāo)設(shè)定的溫度上限和下限，從而在軟件中實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的溫度保護(hù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：CPLD時(shí)序軟件設(shè)計(jì)和控制算法軟件設(shè)計(jì)[4]。

3.1 CPLD時(shí)序控制軟件

AD2S1210對(duì)地址和數(shù)據(jù)寫入的時(shí)序要求較高，要從AD2S1210中讀取位置或者速度信息時(shí)，首先要由SAMPLE的一個(gè)下降沿把數(shù)據(jù)從位置和速度積分器中送到寄存器中，并且保持100ns保證數(shù)據(jù)的正確鎖存，在SAMPLE由高到低后150ns才能通過置低RD讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證，該時(shí)序能有效完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。CPLD時(shí)序控制流程圖如圖5所示。

圖5 時(shí)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(gè)控制程序的核心，包括旋轉(zhuǎn)變壓器的信號(hào)采集計(jì)算、溫度信號(hào)采集計(jì)算、上位機(jī)信號(hào)接收、控制頻率的D/A產(chǎn)生、方向信號(hào)、啟停信號(hào)?？刂扑惴ㄜ浖垂δ芊殖扇蟛糠郑何恢铆h(huán)閉環(huán)、速度環(huán)閉環(huán)和溫度環(huán)閉環(huán)設(shè)計(jì)?？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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

電機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖7所示。頻率和電壓均可在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中調(diào)節(jié)，本方案簡(jiǎn)化了電機(jī)的調(diào)節(jié)過程、提高了電機(jī)速度的可控性。

分別用±6V的正弦信號(hào)、+1V階躍信號(hào)對(duì)超聲電機(jī)伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行了初步測(cè)試，其測(cè)試圖形如圖8、圖9所示。

以上測(cè)試圖形中，黑色線表示外部參考信號(hào)，紅色線表示實(shí)際位置反饋信號(hào)。從三種信號(hào)的測(cè)試圖形來看，超聲電機(jī)伺服機(jī)構(gòu)具有較好的跟隨能力、定位精度以及穩(wěn)定性。

圖7 驅(qū)動(dòng)電壓波形Fig.7 The test wave of drive voltages

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

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

5 結(jié)束語

通過以上分析和論述，完成了超聲電機(jī)系統(tǒng)伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該伺服系統(tǒng)具有精度高、穩(wěn)定性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，該方案設(shè)計(jì)的舵伺服系統(tǒng)具有體積小、重量輕、輸出力矩大、斷電自鎖力矩大等特點(diǎn)。因此，超聲波電機(jī)伺服機(jī)構(gòu)將成為未來伺服系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

[1] 胡敏強(qiáng)，金龍，顧菊平.超聲波電機(jī)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2005：13-20.

[2] 黃建國，陳 曉.基于雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器的智能編碼器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2009：46-80.

[3] 胡敏強(qiáng)，金龍，顧菊平.超聲波電機(jī)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2005：120-139.

[4] 金龍，禇國偉，等.基于DSP的超聲波電機(jī)控制系統(tǒng)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，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(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail:liyanjuan19021511@163.com

TP311.1

A

2095-8110(2016)01-0047-06