基于DS P的超聲波電機(jī)開環(huán)與閉環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn)研究

◎尤向陽(yáng)

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 三門峽 472000)

超聲波電機(jī)是一種新型微特電機(jī)，在工業(yè)控制系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化、精密儀表等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1]。超聲波電機(jī)由于改變了電磁效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的普通電動(dòng)機(jī)原理，具有響應(yīng)速度快、低速大轉(zhuǎn)矩、無(wú)磁性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧等特點(diǎn)，恰好滿足了黃金礦山井下巡檢機(jī)器人仿生關(guān)節(jié)的柔性要求，在礦山井下巡檢機(jī)器人仿生關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域?qū)?huì)有廣闊的應(yīng)用前景[2]。由于超聲波電機(jī)不通過電磁作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)力而是靠施加在定子上的正弦交流電壓來(lái)激勵(lì)，其轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與激振頻率、激振電壓以及兩相激振信號(hào)間的相位差存在很復(fù)雜的關(guān)系[3]。本文針對(duì)井下巡檢機(jī)器人仿生關(guān)節(jié)用超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)，對(duì)超聲電機(jī)的開環(huán)與閉環(huán)調(diào)速特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，記錄了相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與波形，分析了超聲波電機(jī)的速度控制特性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置的建立

行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)電路包括：以DSP56F801為核心的控制部分、4個(gè)電力MOSFET管和2個(gè)變壓器構(gòu)成的雙推挽逆變電路、頻率跟蹤電路、速度檢測(cè)電路、直流調(diào)壓電源和超聲波電機(jī)。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架

其中逆變主回路利用開關(guān)電源技術(shù)，通過開關(guān)組件的時(shí)序通斷，將直流12V電壓經(jīng)雙推挽電路逆變?yōu)槌暡姍C(jī)所需的49-55KHz的交流電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；控制電路以DSP56F801為核心，是產(chǎn)生決定主電路中開關(guān)組件開關(guān)的PWM控制信號(hào)，電機(jī)輸入驅(qū)動(dòng)電壓的工作頻率、電壓大小、相位差也由此電路控制。為能更好地控制超聲波電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，除主回路外，還設(shè)置了反饋回路對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制；反饋回路作用是通過孤極電壓反饋大小，判斷電機(jī)是否漂移諧振頻率，從而改變PWM控制信號(hào)，使電機(jī)重新在諧振頻率下運(yùn)行。反饋回路還設(shè)有光電編碼盤測(cè)速電路，通過碼盤輸出的ENA、ENB、ENZ信號(hào)連接DSP模塊中的TMRD定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊，經(jīng)程序算法計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。硬件電路的電源由直流穩(wěn)壓電源提供。

2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)以行波型超聲波電機(jī)為研究對(duì)象，它的諧振頻率約為50KHz。直流穩(wěn)壓電源提供DC12V電壓經(jīng)雙推挽電路逆變后接入超聲波電機(jī)的兩相輸入端?？刂齐娐樊a(chǎn)生頻率、占空比、相位差可調(diào)的PWM信號(hào)，通過放大、隔離電路驅(qū)動(dòng)雙推挽電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。

DSP56F801的PWM模塊主要用于電機(jī)控制，控制電路利用DSP56F801的PWM模塊對(duì)超聲波電機(jī)供電電壓的頻率、占空比、相位差的實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)的速度控制[4]。通過實(shí)時(shí)配置模塊中各寄存器的值，產(chǎn)生所需PWM信號(hào)。PWM模塊有6個(gè)輸出通道，從PWM0-PWM5，課題研究中用到PWM0-PWM3，將其配置為兩對(duì)互補(bǔ)通道對(duì)；將PWM4、PWM5屏蔽，即通道占空比為0%。在控制方法上，先進(jìn)行開環(huán)試驗(yàn)，再進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)。閉環(huán)控制通過實(shí)時(shí)檢測(cè)孤極反饋電壓大小，改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤閉環(huán)控制。

在傳統(tǒng)電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，為避免逆變器上、下橋臂直通，PWM信號(hào)中需要加入一定寬度的死區(qū)[5-6]。對(duì)于DSP56F801內(nèi)置PWM模塊而言，只需設(shè)定死區(qū)寬度寄存器和其他幾個(gè)標(biāo)志位，在生成PWM信號(hào)時(shí)，指定寬度的死區(qū)就會(huì)自動(dòng)加入，從而改變輸出PWM信號(hào)的占空比。死區(qū)時(shí)間的加入，使得一組互補(bǔ)PWM信號(hào)的脈沖寬度都減少了相同值。適當(dāng)利用死區(qū)時(shí)間，可以生成適合推挽式驅(qū)動(dòng)電路工作的對(duì)稱PWM信號(hào)。通過對(duì)PWM模塊中各寄存器適當(dāng)賦值，使PWM發(fā)生器工作，并在每半周期重載中斷程序中載入不同的值，實(shí)現(xiàn)頻率、占空比、相位差的實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)的速度控制。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 開環(huán)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由于超聲波電機(jī)的運(yùn)行特性與驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)的頻率、占空比及相位差有關(guān)，在測(cè)試過程中為了獲取PWM信號(hào)對(duì)超聲波電機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響情況，采取固定其中兩個(gè)變量，調(diào)節(jié)第三個(gè)變量的方式進(jìn)行測(cè)試，其具體實(shí)驗(yàn)過程為：首先固定占空比為16%，相位差為90°，調(diào)節(jié)頻率，記錄PWM信號(hào)波形、電機(jī)輸入端電壓、反饋端電壓及電機(jī)轉(zhuǎn)速。其次固定相位差為90°，頻率為50KHz，調(diào)節(jié)占空比用以調(diào)節(jié)電壓，進(jìn)行相關(guān)記錄。最后固定占空比為0.16，頻率為50KHz，調(diào)節(jié)相位差，進(jìn)行相關(guān)記錄。

圖2是兩路PWM信號(hào)PWM0和PWM2，圖3是USM輸入端的電壓波形。由測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在諧振頻率50KHz附近，隨著PWM信號(hào)頻率的增加USM電機(jī)輸入電壓有效值Vrms和峰值電壓Vmax逐漸增加，反饋電壓有效值Vrms和峰值電壓Vmax同時(shí)減少，同時(shí)電機(jī)速度明顯降低。當(dāng)PWM信號(hào)頻率為50KHz、相位差為90°，占空比由10%逐漸增大時(shí)，電機(jī)輸入有效值Vrms和峰值電壓Vmax變化不大，反饋電壓有效值Vrms和峰值電壓Vmax也變化不大，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化不明顯，可見對(duì)任一驅(qū)動(dòng)頻率，調(diào)壓控制所能獲得的調(diào)速范圍非常有限。當(dāng)PWM信號(hào)頻率為50KHZ、占空比為16%，相位差在[90°，-90°]變化時(shí)；隨著相位差的逐漸減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸降低，但不明顯；相位差為54.3°時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速突然明顯降低；相位差為[18.7°，-18.7°]時(shí)，為控制死區(qū)，電機(jī)停轉(zhuǎn)；隨著相位差絕對(duì)值的增大，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，當(dāng)相位差為-90°時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)速度最大。

圖2 PWM模塊輸出信號(hào)

圖3 USM輸入端的電壓波形

在驅(qū)動(dòng)信號(hào)固定頻率、占空比、相位差的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間增加越來(lái)越慢。其原因是超聲波電機(jī)旋轉(zhuǎn)，定轉(zhuǎn)子間摩擦生熱，定子諧振頻率下降，而驅(qū)動(dòng)頻率不變將導(dǎo)致兩者不匹配，電機(jī)難以諧振，故轉(zhuǎn)速下降。為使電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，須對(duì)超聲波電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。

3.2 閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由開環(huán)控制時(shí)電機(jī)的運(yùn)行特性可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化而逐漸降低，是由于諧振頻率發(fā)生漂移，為維持電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，須加入頻率跟蹤閉環(huán)控制。本文通過實(shí)時(shí)檢測(cè)孤極反饋電壓大小，改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。

圖4為頻率跟蹤時(shí)轉(zhuǎn)速曲線及孤極反饋電壓曲線，實(shí)驗(yàn)時(shí)將諧振時(shí)反饋電壓的采樣參考值置為1500，開始的PWM信號(hào)的頻率置為51.24KHz，相位差為90°，占空比為16%，從圖中可以看出，在18秒之前，孤極反饋電壓采樣值一直小于1500，程序運(yùn)行時(shí)不斷增加PWMCM計(jì)數(shù)模寄存器中的值,使輸出的PWM信號(hào)的頻率值逐漸減小,使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增加；在18秒后，孤極反饋電壓采樣值開始大于1500，這時(shí)驅(qū)動(dòng)頻率以達(dá)諧振頻率50KHz，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)升溫，諧振頻率開始漂移，電機(jī)轉(zhuǎn)速開始下降，孤極反饋電壓采樣值也逐漸減小，當(dāng)小于1500時(shí)，又再次增加PWMCM計(jì)數(shù)模寄存器中的值，減小PWM信號(hào)的頻率，如此周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)了諧振頻率的自動(dòng)跟蹤。

由于DSP56F801芯片系統(tǒng)時(shí)鐘限制，驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率無(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，為使電機(jī)具有更好的動(dòng)、靜態(tài)性能，本文采用基于頻率跟蹤的電壓PID調(diào)節(jié)。圖5為基于頻率跟蹤的電壓PID調(diào)節(jié)后的速度曲線。曲線表明，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性有所提高，但仍沒特別穩(wěn)定。究其原因，主要由于轉(zhuǎn)子預(yù)緊力不一致和壓電元件機(jī)電性能的均勻度不一，且轉(zhuǎn)速與PWM信號(hào)占空比非線性。以上原因，都會(huì)造成兩片壓電陶瓷的工作頻率不一致，振幅有差別，而反饋回來(lái)的僅為一片檢測(cè)壓電陶瓷的電壓信號(hào)，反饋量上存在一定誤差。因此，要提高電機(jī)的運(yùn)行性能還要從壓電材料、電機(jī)本體結(jié)構(gòu)、加工工藝等多方面進(jìn)行改善。

圖4 轉(zhuǎn)速曲線與孤極反饋電壓曲線

圖5 基于頻率跟蹤電壓PID速度控制曲線

4 結(jié)語(yǔ)

基于DSP的驅(qū)動(dòng)控制器及其軟件實(shí)現(xiàn)都是超聲波電機(jī)研究的重要環(huán)節(jié)，它們的性能好壞直接影響電機(jī)的性能。本實(shí)驗(yàn)在基于DSP56F801的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行，對(duì)超聲波電機(jī)的調(diào)速特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，記錄相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、波形。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到了超聲波電機(jī)在不同激勵(lì)頻率、占空比、相位差的PWM信號(hào)作用下的開環(huán)調(diào)速特性以及在頻率自動(dòng)跟蹤、基于頻率跟蹤的電壓PID控制這兩種控制方式下的閉環(huán)調(diào)速特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于DSP的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，數(shù)字化程度較高。開環(huán)狀態(tài)下電機(jī)隨著運(yùn)行時(shí)間的增加轉(zhuǎn)速大幅下降；頻率跟蹤狀態(tài)下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速較開環(huán)時(shí)，有較大提高，但仍波動(dòng)較大；基于頻率跟蹤的電壓PID控制狀態(tài)下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速較平穩(wěn)?；贒SP的頻率跟蹤配合電壓PID控制策略改善了超聲波電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制性能。今后，可在此基礎(chǔ)上，充分利用DSP運(yùn)算能力強(qiáng)、集成度高的優(yōu)勢(shì)，研究適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，進(jìn)一步提高控制性能。