| 基于32位DSP的超聲波電動(dòng)機(jī)控制器產(chǎn)品研制
摘要：介紹了用32位DsP作為核心處理單元的超聲波電動(dòng)機(jī)控制器產(chǎn)品研制。根據(jù)產(chǎn)、Ik化設(shè)計(jì)要求，茫控制器產(chǎn)品進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，既確�，F(xiàn)有控制器產(chǎn)品運(yùn)行的可靠勝和穩(wěn)定性，又確保現(xiàn)有控制器設(shè)計(jì)技術(shù)的廷續(xù)性以及控制器產(chǎn)品今后的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：超聲波電動(dòng)機(jī)；控制；DsP；模塊化；產(chǎn)品
0引言
超聲波電動(dòng)機(jī)是近幾年得到迅速發(fā)展的一種新型電機(jī)，它突破了傳統(tǒng)電機(jī)的概念，沒有電磋繞組和磁路，不以電磁的相互作用來傳遞能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波振動(dòng)．通過摩擦來傳遞能量。與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，它具有慣性小、響應(yīng)快、控制特性好、不受磁場影響、同時(shí)本身也不產(chǎn)生磁場、定位精度高等特點(diǎn)。特別是它具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、低速大扭矩、可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載等特性。由于直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，避免了使用齒輪變速而產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲、間隙以及低效率、難控制等一系列問題。超聲波電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，它的上述優(yōu)異性能受到了控制界的高度重視，因此超聲波電動(dòng)機(jī)的控制研究得到了迅速發(fā)展。
隨著超聲波電動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)化_[作的深入，對超聲波電動(dòng)機(jī)的控制特性研究也在不斷加深，為了充分發(fā)揮超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)異性能，研制一款高性能的超聲波電動(dòng)機(jī)控制器產(chǎn)品顯得非常重要。本文介紹了用32位DsP作為核心處理單元的超聲波電動(dòng)機(jī)控制器產(chǎn)品研制。根據(jù)產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)要求，對控制器產(chǎn)品進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，既確保現(xiàn)有控制器產(chǎn)品運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，叉確�，F(xiàn)有控制器設(shè)計(jì)技術(shù)的延續(xù)性以及控制器產(chǎn)品今后的發(fā)展。
1方案設(shè)計(jì)
超聲波電動(dòng)機(jī)通過對與定子結(jié)合的壓電陶瓷施加高頻交流電壓，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)定子的超聲振動(dòng)，再通過定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合，將定子的微觀振動(dòng)變換成轉(zhuǎn)子宏觀上
的旋轉(zhuǎn)或者直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。但由于超聲波電動(dòng)機(jī)定子振動(dòng)的非線性、時(shí)變的阻抗特性與幅頻特性，到目前為止超聲波電動(dòng)機(jī)還沒有精確的數(shù)學(xué)模型來描述，因此超聲波電動(dòng)機(jī)的性能好壞與電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平密切相關(guān)。
超聲波電動(dòng)機(jī)是由高頻交流電壓驅(qū)動(dòng)的，根據(jù)其驅(qū)動(dòng)原理，一般有如F三種控制方法：(1)調(diào)壓控制，通過調(diào)節(jié)PwM波的占空比來實(shí)現(xiàn)；(2)調(diào)頻控制，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓的頻率來實(shí)現(xiàn)：(3)調(diào)相控制，通過調(diào)節(jié)兩相驅(qū)動(dòng)電壓的相位來實(shí)現(xiàn)。
隨著超聲波電動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)化工作的深入，市場上對超聲波電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的控制特性要求越來越多，也越來越復(fù)雜，因此對超聲波電動(dòng)機(jī)采用的控制方法從一種發(fā)展到二種甚至三種共用。這對超聲波電動(dòng)機(jī)控制器產(chǎn)品核心處理單元的數(shù)據(jù)處理能力和實(shí)時(shí)控制能力提出了相應(yīng)要求。
雖然超聲波電動(dòng)機(jī)控制器產(chǎn)品核心處理單元已經(jīng)從8位單片機(jī)發(fā)展到16位單片機(jī)和16位DsP，但離當(dāng)前要求還有差距，因此急需開發(fā)了以32位I)SP·作為核心處理單元的超聲波電動(dòng)機(jī)
控制器產(chǎn)品。
本產(chǎn)品核心處理單元采用TI公司****推出的32位TMS320(：：Z8X系列的DsP—TMS，320t2810芯片，它既具有數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特g4適用于馬達(dá)伺服控制系統(tǒng)等應(yīng)用場合。
TMS320t?2810主要性能如下：(1)采用高性能靜態(tài)cMOs技術(shù)，核心電壓為1 8 v，I／O口電壓為33 v，Flash編程電壓3 3 v，大大降低了功耗；(2)****工作頻率為150 MIIz，進(jìn)一步提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力；(3)高性能的32位中央處理器，具有16位×16位和32位×32位乘且累加操作；(4)片內(nèi)存儲(chǔ)器資源更加豐富，具有64k×16位的F LJAStjROM，lk×16位的OTPROM，18k×16位的sARAM，但無外部存儲(chǔ)器接口；(5)中斷資源更加豐富，便于軟件設(shè)汁；(6)128位的密鑰保護(hù)，適合產(chǎn)品化；(7)3個(gè)32位的cPu定時(shí)器；(8)片內(nèi)包含兩個(gè)事
件管理器模塊，每個(gè)模塊包含：兩個(gè)16位通用定時(shí)器、8個(gè)16位的PwM通道、3個(gè)捕獲單元、3個(gè)比較單元、片內(nèi)光電編碼器接口電路；(9)串口外圍設(shè)備包括：兩個(gè)串行通信接口(scI)、一個(gè)串行外設(shè)接口(sPI)、改進(jìn)的局域網(wǎng)控制器(ecAN)以及多通道緩沖串行接口(Mc]3St，)；(10)12位的ADc模塊，具有16通道；(11)支持低功耗模式和節(jié)能模式。
TMS320t2810的功能框圖如圖1所示。其豐富的內(nèi)部資源和較大的內(nèi)存，適合進(jìn)行超聲波電動(dòng)機(jī)控制。
根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想，超聲波電動(dòng)機(jī)控制器產(chǎn)品由控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊：個(gè)模塊組成，其中驅(qū)動(dòng)模塊直接借用uMc60一M80控制器的驅(qū)動(dòng)模塊，本產(chǎn)品的開發(fā)重點(diǎn)放在控制模塊的設(shè)計(jì)上．
控制模塊以TMS3201：’2810為核心處理單元，利用它對外設(shè)的高度集成，簡化了硬件，提高了性能。具體組成見圖2超聲波電動(dòng)機(jī)控制器控制模塊硬件框圖。控制模塊通過TMS320F2810
協(xié)調(diào)_==『=作主要完成遠(yuǎn)程通信、本地設(shè)置、編碼、器反饋處理、控制算法實(shí)現(xiàn)、調(diào)頻控制、調(diào)幅控制、調(diào)相控制、驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生等功能。在控制模塊完成的這些功能中驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生功能是直接關(guān)系到電機(jī)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，下面重點(diǎn)介紹它的實(shí)現(xiàn)方法。
圖2超聲波電動(dòng)機(jī)控制器控制模塊硬件框圖
TMs320F2810芯片的事件管理器資源豐富，每個(gè)事件管理器模塊包含兩個(gè)16位通用目的(GP)定時(shí)器、8個(gè)16位的PwM通道、3個(gè)捕獲單元、3個(gè)全比較單元和一個(gè)正交編碼脈沖電路。每個(gè)事件管理器在同一時(shí)刻可以產(chǎn)生8個(gè)PwM的波形輸出；3個(gè)全比較單元口1單獨(dú)產(chǎn)生3對輸出；通過GP定時(shí)器的比較功能可產(chǎn)生兩個(gè)單獨(dú)的PwM輸出。本設(shè)計(jì)中利用定盱器l和定時(shí)器3的全比較單元輸出四路P wM波。GP定時(shí)器為全比較單元提供時(shí)基，通過設(shè)差定時(shí)器控制寄存器選擇定時(shí)器為連續(xù)增／減模式：f一作方式。定時(shí)器訓(xùn)數(shù)周劃由相應(yīng)周期寄存器設(shè)差值決定，比較匹配點(diǎn)由比較寄存器值決定。通過設(shè)置比較控制寄存器來使能相關(guān)比較操作，GP定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值不斷的與相關(guān)比較寄存器的值進(jìn)行比較，當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值等于比較寄存器的值時(shí)便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比較輸出，輸出邏輯電路決定當(dāng)匹配發(fā)生時(shí)，PwM輸出引腳的輸出極性或是如何動(dòng)作，可以通過設(shè)置比較行為控制(AcTR)寄存器的相應(yīng)位使與比較電路相關(guān)的輸出設(shè)定為高電平、低電平、強(qiáng)制高電平或強(qiáng)制低電。
通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器，保證正確有序的控制邏輯就可產(chǎn)生要求的PwM波，定時(shí)器1產(chǎn)生 兩路PwM波Hm和LIN的原理如圖3所示。通過調(diào)整定時(shí)器1相應(yīng)的寄存器可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻和調(diào)幅功
能．通過調(diào)整定時(shí)器1和定時(shí)器3之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)調(diào)相功能。
驅(qū)動(dòng)模塊完成驅(qū)動(dòng)升Ⅱ三、負(fù)載匹配、接口匹配、異常信號(hào)處理、電源輸入等功能。具體組成如圖4所不超聲波電動(dòng)機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)模塊硬件框圖�？刂颇K產(chǎn)生的兩路PwM波HlN和LIN輸入到驅(qū)動(dòng)模塊，再通過驅(qū)動(dòng)模塊E接口匹配電路和驅(qū)動(dòng)芯片IR2103產(chǎn)生兩路開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)HO和LO驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管IRF540，再通過推挽升壓電路得到超聲波電動(dòng)機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
通過設(shè)計(jì)，本產(chǎn)品具有以下主要特點(diǎn)：1)能實(shí)現(xiàn)三種控制方法混合控制；2)模塊化設(shè)計(jì)：、3)能實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能：本地控制、遠(yuǎn)程控制；4)有多個(gè)功能接口：Rs一232接口、編碼器反饋接口、基本控制接口等；5)能實(shí)現(xiàn)異常保護(hù)功能；6)小型化，結(jié)構(gòu)緊湊，外觀美觀；7)高可靠、性，高穩(wěn)定性。
2結(jié)論
根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)完成丁本產(chǎn){自的研制，其型號(hào)為uMc60一M8l，如圖5所示。
削它酣合uMT60—E1型超聲波電動(dòng)機(jī)(帶可4倍頻到100。0線的光電編碼器)進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐。從uMT60一El型超聲波電動(dòng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用中的控制特性看，本產(chǎn)品既確保了uMT60一El型超聲波電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，又充分發(fā)揮超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)異性能。本產(chǎn)品的研制為超聲波電動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步推廣打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
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