摘 要： 提出了一種基于單片機MSP430的超聲電機小型驅動器的設計方案，詳述了該驅動器的硬件電路結構，并用它驅動TRUM60型超聲電機，實驗結果驗證了該設計方案的合理性。該驅動器具有電路簡潔，調節方便和運行穩定等優點。
關鍵詞： 超聲電機； MSP430； 驅動電源
超聲電機(USM)是一種具有全新原理、全新結構的新型驅動器，它突破了傳統的電磁電機的概念，無電樞繞組和磁路，不依靠電磁的相互作用來轉換能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動來獲得驅動力，通過摩擦耦合轉換成轉子或滑塊的運動[1]。由于其獨特的運行機理，USM具有慣性小、響應快、控制特性好、噪聲小、斷電自鎖、不受磁場影響、本身不產生磁場、低速大轉矩等特性，因而受到廣泛關注，在微機電系統、納米技術、軍工、機器人、生物學、醫療機構、航空航天、辦公自動化等領域展現出很大的應用潛力和優勢。
但是,驅動超聲電機往往需要配備專用的驅動器，超聲電機對驅動信號有著較高的要求，所以目前國內外開發的超聲電機的驅動器及控制電路普遍存在電路體積大，性能不穩定等問題。為此，在保證滿足驅動要求的前提下，應盡可能地縮小驅動器的體積，提高驅動控制器的性能和穩定性，以便在更多的領域充分發揮超聲電機的獨特優點[2]。
針對上述問題，應用目前市面上流行的MSP430單片機，針對TRUM60型電機，開發出了一種高性能的超聲電機驅動器，將一部分驅動控制電路整合到MSP430中，極大地縮小了驅動器的體積，提高了驅動器性能，初步解決了這一問題。
1 MSP430系列單片機概述
美國TI公司的MSP430[3]系列單片機是一種超低功耗特性的高性能單片機，它將各種外圍資源集中在片上，實現了片上系統，從而大大簡化了系統的設計。MSP430采用了16位的RISC架構,內部具有豐富的功能模塊，集成了多通道10-14位的A/D轉換器、雙路12位D/A轉換器、比較器、電源電壓檢測、串行口USART(UART/SPI)硬件乘法器、Flash存儲器、看門狗定時器及多個16位、8位定時器等功能模塊。這些功能可以滿足目前超聲電機驅動器對單片機的各種需求，使設計變得簡單可靠，并為以后超聲電機驅動器功能的拓展和完善留下充足的接口。
2 系統硬件設計
2.1 總體設計
本文采用MSP430F16X系列的F169單片機作為主控制器設計了驅動器,驅動器的硬件組成主要由MSP430單片機、推挽功率級、升壓變壓器、電感匹配電路、孤極反饋電路等組成，其硬件框圖如圖1所示。
MSP430是新型驅動器的控制核心，控制整個驅動器的工作，PDL1220芯片產生PWM波方波信號經驅動電路放大后傳輸至推挽電路使其工作。放大后的電壓波形經電感匹配電路后，形成兩路相位差90°的正弦波，加至超聲電機，使其運轉。通過外接鍵盤實現與單片機MSP430的通信，控制電機的啟停與正反轉。
2.2 驅動推挽電路
主功率驅動推挽電路如圖2所示。PDL1220為超聲電機專用集成芯片，可以產生四路相位差90°的方波信號，其內部鋸齒波振蕩器的振蕩頻率由5、6腳的振蕩電容和振蕩電阻確定。2腳(VT)接控制電壓輸入信號(0~3 V)，輸出信號的頻率由電容C、電阻R1、R2和2腳輸入電壓確定。15腳(RUN)接控制輸入信號；16腳(CW)接正反轉控制輸入信號；2、15和16腳接MSP430單片機，用來控制電機的啟停、正反轉和輸出方波信號的頻率。PDL1220產生的四路方波信號(A+，A-，B+，B-)，經過IR2101轉換后，HO和LO管腳輸出為15 V的驅動信號，驅動MOS管工作。
由于驅動超聲電機的電壓幅值要求較高，其峰峰值一般要求達到100 V以上，因此目前常用的驅動器都是如圖2所示的變壓器推挽電路[4]。推挽電路工作過程中，在輸入回路中只有一個開關管的通態壓降，而半橋電路或全橋電路都有兩個開關管的通態壓降。因而在同樣的條件下，產生的通態損耗較小，這對輸入電壓較低的開關電路十分有利。變壓器的作用主要是隔離和變壓。兩對開關管交替導通，分別在兩個變壓器T1和T2原邊的兩個繞組上形成相位相反的交流電壓。電路的輸出采用變壓器、串聯匹配電感與負載相耦合，改變輸出變壓器的匝數比可使負載成為放大器的最佳負載，以保證MOS管工作在最佳運用狀態[5]。
2.3 孤極電壓反饋電路
超聲電機的穩定性受溫度、摩擦損耗等干擾較大，其中溫度的變化對其運行穩定的影響最為顯著。這是因為當電機在使用過程中發熱，使電機溫度發生變化，定子的諧振特性將會改變，如果激勵頻率不隨著諧振特性的變化而變化,電機開環運行下的性能就會明顯改變[1]。因此，為了使超聲電機轉速保持穩定，有必要引入反饋電路實現閉環控制。本文采用孤極電壓反饋電路，對超聲電機的轉速進行調節,使電機保持穩定的工作狀態。其原理是在超聲電機的定子上增加一個單獨的壓電陶瓷作為電壓傳感器，稱之為孤極。理想情況下，孤極電壓的幅值與電機轉速成正比。定子在工作狀態下，孤極電壓經過整流和濾波后，經單片機MSP430的ADC12模數轉換模塊采集，模擬信號變成數字信號。在MSP430單片機中，對孤極電壓與設定電壓作比較計算，通過DAC12數模轉換模塊，輸出相應的電壓至PDL1220芯片，調整信號輸出，從而實現閉環控制。
圖3所示為孤極電壓反饋控制系統框圖。在PI控制器中，把P控制的增益選得較小，在整個系統穩定的情況下，穩態時的孤極電壓等于設定電壓，通過改變設定電壓對電機進行調速。
由于孤極電壓為交流電，所以孤極電壓采集后必須經整流濾波電路變成直流電后送至MSP430，同時由于本驅動器采用推挽電路來驅動電機，所以孤極電壓采集時最好實現隔離，采用TL431加4N35實現電壓隔離采集，孤極電壓反饋電路圖如圖4所示。
3 系統軟件設計
驅動器的控制程序主流程圖如圖5所示。驅動器開始工作前，先判斷存儲器內是否有存儲數據，如果沒有則對系統各部分進行初始化，如果有則直接調用存儲數據，之后系統進入穩定狀態。此時判斷是否有外圍鍵盤的輸入信息,通過外圍鍵盤來控制電機的啟停和正反轉，如果有則進行相應的操作，這部分程序通過定時器中斷方式進行編程。最后判斷是否對電機運行狀態的相關數據進行保存：如不需要，則回到上方的輸入判斷；如需要保存，則將數據存入存儲器，整個流程結束。
超聲電機啟停和正反轉的控制是通過改變對推挽電路的驅動信號來實現的，由于使用了PDL1220芯片產生四路信號，因此只需要改變PDL1220的15腳(RUN)，16腳（CW/CCW）的信號輸入。
(1) 超聲電機的啟停控制
啟停控制是通過改變MSP430端口P1.1腳的輸出信號來實現的，P1.1腳的輸出信號送給PDL1220的15腳（RUN）。通過中斷程序來實現啟停功能，當檢測到外圍信號時，調用RUN（）函數，外圍鍵盤起動按鍵按下時，P1.1腳輸出信號為高電平，電機啟動；當停止按鍵按下時，P1.1腳輸出信號為低電平，PDL1220無信號輸出，電機停止。
(2)超聲電機的正反轉控制
正反轉控制是通過改變MSP430端口P1.2腳的輸出信號來實現的，P1.2腳的輸出信號送給PDL1220的16腳（CW/CCW）。通過中斷程序來實現正反轉功能，當電機起動時，檢測到外圍信號，調用CW（）函數,外圍鍵盤正轉按鍵按下時，P1.2腳輸出信號為高電平,電機正轉；當反轉按鍵按下時，P1.2腳輸出信號為低電平，電機反轉。
4 實驗結果
本文用此驅動器驅動TRUM60型超聲電機。電機技術指標為：驅動頻率41.3 kHz，輸入電壓12 V，輸入電流1.0 A，輸出電壓260 Vvpp，電機轉速161 r/min。MOS管的柵極波形及最終的輸出電壓波形見圖6所示,由圖可見，柵極信號無毛刺，且占空比為45%。施加孤極電壓反饋電路后，電機工作運行穩定，速度變化可穩定在5%以內。
本文基于MSP430單片機，設計了一種新型平臺的超聲電機小型驅動器，并很好的驅動了TRUM60型超聲電機。該驅動器體積小、結構簡單、能量利用率高、易維護、調試方便，并留有豐富的控制接口，為后續豐富和完善驅動器功能奠定了基礎。
參考文獻
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[2] 李華峰，辜承林. 大轉矩行波型超聲波電機的研制[J].中國電機工程學報，2002,22(8)：67-70.
[3] 陳政石，秦紅波，李鐵鷹.基于MSP430F149的串口服務器設計[J].電子技術應用，2009，35(1):95-97.
[4] 李華峰，辜承林.超聲波電機的頻率自動跟蹤[J].壓電與聲光，2003,25(1)：36-38.
[5] 李華峰，趙淳生.基于LC諧振的超聲電機驅動器的研究[ ].中國電機工程學報，2005,25（23）：144-147.