超聲電動機是近年來出現(xiàn)的一種集電機、精密機械、電子技術(shù)、計算機技術(shù)和功能材料等于一體的新型高科技產(chǎn)品。它以無噪聲、大轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)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(shè)備、儀器儀表、計算機外設(shè)、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(xué)工程、航空學(xué)工程、航空航天和軍事設(shè)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(zhuǎn)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(yīng)用時需要對位置、速度和力矩進行控制。另外，超聲電動機驅(qū)動電路是在高頻、高壓條件下驅(qū)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(zhuǎn)子之間的摩擦特性。因此，驅(qū)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(qū)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(qū)動控制方法，將變頻、變相控制方案有機地結(jié)合在一起，通過計算機實時控制，實現(xiàn)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(chǎn)生定子環(huán)內(nèi)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(gòu)成的系統(tǒng)能夠產(chǎn)生二相電壓有效值相等、頻率相同的方波信號以驅(qū)動行波超聲電動機，控制系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 驅(qū)動控制系統(tǒng)框圖
根據(jù)二路方波信號相位差與定子環(huán)表面質(zhì)點運動軌跡的關(guān)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(chǎn)生兩路相同頻率、一定相位差的方波信號，作為驅(qū)動電路的輸入控制信號；同步電路根據(jù)變頻、調(diào)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(qū)動部分為一推挽式逆變電源，提供超聲電動機所需的驅(qū)動電流；單片機可對反饋頻率檢測，使驅(qū)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(shè)計
8254是一種常用的可編程定時/計數(shù)器，具有三個獨立的16位計數(shù)器，每個計數(shù)器有六種工作方式，其計數(shù)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(chǎn)生二路方波信號及二路方波信號相位差的控制信號。計數(shù)器0和計數(shù)器1工作于方式3，即方波頻率發(fā)生器方式。以產(chǎn)生二路同頻率方波信號，并通過改變計數(shù)器數(shù)值實現(xiàn)變頻控制。計數(shù)器2工作于0方式，即終止計數(shù)中斷方式，用來控制計數(shù)器1允許與停止計數(shù)，使其滯后于計數(shù)器0數(shù)個時鐘脈沖才開始計數(shù)，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(shù)器2的計數(shù)值實現(xiàn)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(chǎn)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
讀寫控制邏輯接受來自CPU的讀寫信號,依此確定對三個計數(shù)器和控制寄存器中個進行工作并控制內(nèi)部總線數(shù)據(jù)傳送方向，可接受的控制信號如表1所示。
表1 控制信號表
| CS | A1 | A0 | RD | WR | 功能 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 寫入計數(shù)器0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 寫入計數(shù)器1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 寫入計數(shù)器2 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 寫入控制寄存器 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 讀入計數(shù)器0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 讀入計數(shù)器1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 讀入計數(shù)器2 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 非法操作 |
| 0 | X | X | 1 | 1 | 無操縱 |
| 1 | X | X | X | X | 無操縱 |
設(shè)時鐘頻率為fOSC，產(chǎn)生方波的頻率為f0，計數(shù)器0和計數(shù)器1的計數(shù)值發(fā)分別為N0、N1，計數(shù)器2的計數(shù)值為N2，相位差為Φ，則有
N0=N1=
(1)
N2=
·N0(2)
為使計數(shù)器0、1所產(chǎn)生方波信號具有精確相位差，同步信號S可控制GATE0和GATE2，使計數(shù)器0、2同步計數(shù)。當計數(shù)器2完成計數(shù)時，OUT2=1控制計數(shù)器1的GATE1，使GATE1=1，計數(shù)器1則開始計數(shù)，故可以產(chǎn)生具有一定相位差的二路方波信號。
隨著計數(shù)器2的計數(shù)值N2改變，計算機在選中8254時開始對計數(shù)器2寫入新的計數(shù)值，同步信號S由1置為0，三個計數(shù)器均停止計數(shù)。當計數(shù)器2寫入計數(shù)值結(jié)束時，同步信號S置為1，并保持使GATE0=1、GATE2=1，計數(shù)器0、2開始同步計數(shù)，計數(shù)器2計數(shù)結(jié)束，GATE1=1，計數(shù)結(jié)束，GATE1=1，計數(shù)器1開始計數(shù)。從而完成方波信號的變相位控制。
當計數(shù)器0、1、2寫入新的計數(shù)值，計算機選中8254時，同步信號S由1置為0，計數(shù)器均停止計數(shù)，程序按順序?qū)Ω饔嫈?shù)器寫入計數(shù)值。計數(shù)器2寫入計數(shù)值結(jié)束，同步信號S置1，并保持計數(shù)器0、2開始計數(shù)，計數(shù)器2計數(shù)結(jié)束時，計數(shù)器1開始計數(shù)，完成方波信號的變頻控制。
同步信號S的特征方程為
S=(CS＋WR)·
=AIN（3）
=AON
同步信號S只是在對計數(shù)器寫入計數(shù)值完成后才由0置為1，并保持至下次對8254任一計數(shù)器重新寫入計數(shù)值。同步信號S的真值表如表2所所示。
表2 S的真值表
| CS | WR | Q1 | Q0 | S |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0→1 |
| 1 | 1 | X | X | 1 |
3 軟件設(shè)計
本系統(tǒng)軟件設(shè)計以CPU對I/O的讀寫操作為主，整個軟件包括啟動、變頻、變相、ADC0809數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、控制轉(zhuǎn)向和中斷等程序。由于ADC0809要完成二個模擬量的數(shù)字轉(zhuǎn)換，在A/D轉(zhuǎn)換器對一個模擬量轉(zhuǎn)換結(jié)束后，才可對另一個模擬量進行模擬轉(zhuǎn)換，該時段CPU可執(zhí)行其他程序或插入等待程序，以免造成CPU資源浪費。因此，采用二片A/D轉(zhuǎn)換器分別對二個模擬量轉(zhuǎn)換。程序采用C語言和匯編語言混合編寫。
設(shè)fOSC=10MHz，f0=833kHz，相位差為π/2時，系統(tǒng)硬件電路的時序如圖3所示。
(a)變頻控制框圖 (b)調(diào)相控制框圖
圖3 軟件控制流程
4 實驗結(jié)果與結(jié)論
當時鐘脈沖頻fOSC=10MHz，N0=500，N1=124時，系統(tǒng)硬件電路上機實驗，計數(shù)值寫入后產(chǎn)生二路頻率為20kHz，相位差為90°的方波信號。變相步長和精度為0.72°，頻率的變化范圍為0～10MHz。當f0增大時，變相步長增大，精度降低；當f0>5MHz時，電路只能輸出二路同相方波信號。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的驅(qū)動控制方案具有以下特點：
（1）系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)字化程度高，控制性能良好；
（2）軟件采用C語言和匯編語言混合編程，既使程序設(shè)計、簡潔明快，又使控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快；
（3）本系統(tǒng)具有較高的控制精度，將為超聲電動機的驅(qū)動控制提供一種新的方法。