摘 要： 提出了一種基于單片機(jī)MSP430的超聲電機(jī)小型驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案，詳述了該驅(qū)動(dòng)器的硬件電路結(jié)構(gòu)，并用它驅(qū)動(dòng)TRUM60型超聲電機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的合理性。該驅(qū)動(dòng)器具有電路簡(jiǎn)潔，調(diào)節(jié)方便和運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 超聲電機(jī)； MSP430； 驅(qū)動(dòng)電源
超聲電機(jī)(USM)是一種具有全新原理、全新結(jié)構(gòu)的新型驅(qū)動(dòng)器，它突破了傳統(tǒng)的電磁電機(jī)的概念，無(wú)電樞繞組和磁路，不依靠電磁的相互作用來(lái)轉(zhuǎn)換能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)來(lái)獲得驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的運(yùn)動(dòng)[1]。由于其獨(dú)特的運(yùn)行機(jī)理，USM具有慣性小、響應(yīng)快、控制特性好、噪聲小、斷電自鎖、不受磁場(chǎng)影響、本身不產(chǎn)生磁場(chǎng)、低速大轉(zhuǎn)矩等特性，因而受到廣泛關(guān)注，在微機(jī)電系統(tǒng)、納米技術(shù)、軍工、機(jī)器人、生物學(xué)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、航空航天、辦公自動(dòng)化等領(lǐng)域展現(xiàn)出很大的應(yīng)用潛力和優(yōu)勢(shì)。
但是,驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)往往需要配備專用的驅(qū)動(dòng)器，超聲電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)有著較高的要求，所以目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器及控制電路普遍存在電路體積大，性能不穩(wěn)定等問(wèn)題。為此，在保證滿足驅(qū)動(dòng)要求的前提下，應(yīng)盡可能地縮小驅(qū)動(dòng)器的體積，提高驅(qū)動(dòng)控制器的性能和穩(wěn)定性，以便在更多的領(lǐng)域充分發(fā)揮超聲電機(jī)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[2]。
針對(duì)上述問(wèn)題，應(yīng)用目前市面上流行的MSP430單片機(jī)，針對(duì)TRUM60型電機(jī)，開(kāi)發(fā)出了一種高性能的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，將一部分驅(qū)動(dòng)控制電路整合到MSP430中，極大地縮小了驅(qū)動(dòng)器的體積，提高了驅(qū)動(dòng)器性能，初步解決了這一問(wèn)題。
1 MSP430系列單片機(jī)概述
美國(guó)TI公司的MSP430[3]系列單片機(jī)是一種超低功耗特性的高性能單片機(jī)，它將各種外圍資源集中在片上，實(shí)現(xiàn)了片上系統(tǒng)，從而大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。MSP430采用了16位的RISC架構(gòu),內(nèi)部具有豐富的功能模塊，集成了多通道10-14位的A/D轉(zhuǎn)換器、雙路12位D/A轉(zhuǎn)換器、比較器、電源電壓檢測(cè)、串行口USART(UART/SPI)硬件乘法器、Flash存儲(chǔ)器、看門(mén)狗定時(shí)器及多個(gè)16位、8位定時(shí)器等功能模塊。這些功能可以滿足目前超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)單片機(jī)的各種需求，使設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單可靠，并為以后超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功能的拓展和完善留下充足的接口。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 總體設(shè)計(jì)
本文采用MSP430F16X系列的F169單片機(jī)作為主控制器設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器的硬件組成主要由MSP430單片機(jī)、推挽功率級(jí)、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(qū)動(dòng)器的控制核心，控制整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的工作，PDL1220芯片產(chǎn)生PWM波方波信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)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(jīng)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(jī)，使其運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)外接鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)MSP430的通信，控制電機(jī)的啟停與正反轉(zhuǎn)。
2.2 驅(qū)動(dòng)推挽電路
主功率驅(qū)動(dòng)推挽電路如圖2所示。PDL1220為超聲電機(jī)專用集成芯片，可以產(chǎn)生四路相位差90°的方波信號(hào)，其內(nèi)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(hào)(0~3 V)，輸出信號(hào)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(hào)；16腳(CW)接正反轉(zhuǎn)控制輸入信號(hào)；2、15和16腳接MSP430單片機(jī)，用來(lái)控制電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)和輸出方波信號(hào)的頻率。PDL1220產(chǎn)生的四路方波信號(hào)(A+，A-，B+，B-)，經(jīng)過(guò)IR2101轉(zhuǎn)換后，HO和LO管腳輸出為15 V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)MOS管工作。
由于驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)的電壓幅值要求較高，其峰峰值一般要求達(dá)到100 V以上，因此目前常用的驅(qū)動(dòng)器都是如圖2所示的變壓器推挽電路[4]。推挽電路工作過(guò)程中，在輸入回路中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管的通態(tài)壓降，而半橋電路或全橋電路都有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的通態(tài)壓降。因而在同樣的條件下，產(chǎn)生的通態(tài)損耗較小，這對(duì)輸入電壓較低的開(kāi)關(guān)電路十分有利。變壓器的作用主要是隔離和變壓。兩對(duì)開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通，分別在兩個(gè)變壓器T1和T2原邊的兩個(gè)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(lián)匹配電感與負(fù)載相耦合，改變輸出變壓器的匝數(shù)比可使負(fù)載成為放大器的最佳負(fù)載，以保證MOS管工作在最佳運(yùn)用狀態(tài)[5]。
2.3 孤極電壓反饋電路
超聲電機(jī)的穩(wěn)定性受溫度、摩擦損耗等干擾較大，其中溫度的變化對(duì)其運(yùn)行穩(wěn)定的影響最為顯著。這是因?yàn)楫?dāng)電機(jī)在使用過(guò)程中發(fā)熱，使電機(jī)溫度發(fā)生變化，定子的諧振特性將會(huì)改變，如果激勵(lì)頻率不隨著諧振特性的變化而變化,電機(jī)開(kāi)環(huán)運(yùn)行下的性能就會(huì)明顯改變[1]。因此，為了使超聲電機(jī)轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，有必要引入反饋電路實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。本文采用孤極電壓反饋電路，對(duì)超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié),使電機(jī)保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。其原理是在超聲電機(jī)的定子上增加一個(gè)單獨(dú)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(jī)轉(zhuǎn)速成正比。定子在工作狀態(tài)下，孤極電壓經(jīng)過(guò)整流和濾波后，經(jīng)單片機(jī)MSP430的ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集，模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)。在MSP430單片機(jī)中，對(duì)孤極電壓與設(shè)定電壓作比較計(jì)算，通過(guò)DAC12數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，輸出相應(yīng)的電壓至PDL1220芯片，調(diào)整信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。
圖3所示為孤極電壓反饋控制系統(tǒng)框圖。在PI控制器中，把P控制的增益選得較小，在整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)的孤極電壓等于設(shè)定電壓，通過(guò)改變?cè)O(shè)定電壓對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。
由于孤極電壓為交流電，所以孤極電壓采集后必須經(jīng)整流濾波電路變成直流電后送至MSP430，同時(shí)由于本驅(qū)動(dòng)器采用推挽電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以孤極電壓采集時(shí)最好實(shí)現(xiàn)隔離，采用TL431加4N35實(shí)現(xiàn)電壓隔離采集，孤極電壓反饋電路圖如圖4所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)器的控制程序主流程圖如圖5所示。驅(qū)動(dòng)器開(kāi)始工作前，先判斷存儲(chǔ)器內(nèi)是否有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有則對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行初始化，如果有則直接調(diào)用存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，之后系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)判斷是否有外圍鍵盤(pán)的輸入信息,通過(guò)外圍鍵盤(pán)來(lái)控制電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)，如果有則進(jìn)行相應(yīng)的操作，這部分程序通過(guò)定時(shí)器中斷方式進(jìn)行編程。最后判斷是否對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器，整個(gè)流程結(jié)束。
超聲電機(jī)啟停和正反轉(zhuǎn)的控制是通過(guò)改變對(duì)推挽電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于使用了PDL1220芯片產(chǎn)生四路信號(hào)，因此只需要改變PDL1220的15腳(RUN)，16腳（CW/CCW）的信號(hào)輸入。
(1) 超聲電機(jī)的啟停控制
啟停控制是通過(guò)改變MSP430端口P1.1腳的輸出信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，P1.1腳的輸出信號(hào)送給PDL1220的15腳（RUN）。通過(guò)中斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)啟停功能，當(dāng)檢測(cè)到外圍信號(hào)時(shí)，調(diào)用RUN（）函數(shù)，外圍鍵盤(pán)起動(dòng)按鍵按下時(shí)，P1.1腳輸出信號(hào)為高電平，電機(jī)啟動(dòng)；當(dāng)停止按鍵按下時(shí)，P1.1腳輸出信號(hào)為低電平，PDL1220無(wú)信號(hào)輸出，電機(jī)停止。
(2)超聲電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制
正反轉(zhuǎn)控制是通過(guò)改變MSP430端口P1.2腳的輸出信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，P1.2腳的輸出信號(hào)送給PDL1220的16腳（CW/CCW）。通過(guò)中斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)功能，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，檢測(cè)到外圍信號(hào)，調(diào)用CW（）函數(shù),外圍鍵盤(pán)正轉(zhuǎn)按鍵按下時(shí)，P1.2腳輸出信號(hào)為高電平,電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)反轉(zhuǎn)按鍵按下時(shí)，P1.2腳輸出信號(hào)為低電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文用此驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)TRUM60型超聲電機(jī)。電機(jī)技術(shù)指標(biāo)為：驅(qū)動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)速161 r/min。MOS管的柵極波形及最終的輸出電壓波形見(jiàn)圖6所示,由圖可見(jiàn)，柵極信號(hào)無(wú)毛刺，且占空比為45%。施加孤極電壓反饋電路后，電機(jī)工作運(yùn)行穩(wěn)定，速度變化可穩(wěn)定在5%以內(nèi)。
本文基于MSP430單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一種新型平臺(tái)的超聲電機(jī)小型驅(qū)動(dòng)器，并很好的驅(qū)動(dòng)了TRUM60型超聲電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)器體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量利用率高、易維護(hù)、調(diào)試方便，并留有豐富的控制接口，為后續(xù)豐富和完善驅(qū)動(dòng)器功能奠定了基礎(chǔ)。
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