基于MSP430的超声波电动机新型驱动器

2012-07-20李华峰宋海军

微特电机 2012年1期

俞浦，李华峰，宋海军，李杰

(1.中国卫星海上测控部，江苏江阴214431;2.南京航空航天大学，江苏南京210016)

0 引言

超声波电动机(以下简称USM)是一种具有全新概念的新型微特电机，与传统电磁电机工作原理不同，它没有电枢绕组和磁路，也不是依靠电磁原理来转换能量，而是利用压电材料的逆压电效应，使定子振动在超声频域内，通过定子和转子之间的摩擦来获得驱动力［1－4］。由于工作原理特殊，与传统电磁电机相比，USM具有诸如低速大转矩、惯性小、响应快、噪声小、易控制、断电自锁和不受磁场影响等优点，因而受到广泛关注，在微机电系统、纳米技术、军工、机器人、生物学、医疗机构、航空航天、办公自动化等领域展现出很大的应用潜力和优势。但是，驱动超声波电动机往往需要配备专用的驱动器，超声波电动机对驱动信号有着较高的要求，目前国内外开发的超声波电动机的驱动器及控制电路普遍存在电路体积大，调速手段单一(调频调速)等问题，为了更好地利用好超声波电动机的独特优点，使其在更多的领域得到应用，必须在提高驱动器功能的同时，尽可能减小驱动器的体积［5］。采用目前市面上流行的MSP430芯片，针对TRUM60型电机，开发了一种高性能的超声波电动机新型驱动器。它将一部分驱动控制电路整合到MSP430中，缩小了驱动器体积，同时增加了调压调速的功能，提高了驱动器性能。

1 MSP430系列单片机概述

美国 TI公司的 MSP430［6－7］系列单片机是一种超低功耗特性的高性能单片机，它将各种外围资源集中在片上，实现了片上系统，从而大大简化了系统的设计。MSP430采用了16位的RISC架构，内部具有丰富的功能模块，集成了多通道10至14位的A/D转换器、双路12位D/A转换器、比较器、电源电压检测、串行口USART(UART/SPI)硬件乘法器、Flash存储器、看门狗定时器及多个16位、8位定时器等功能模块。这些功能可以满足目前超声波电动机驱动器对单片机的各种需求，简单可靠，并为以后超声波电动机驱动器功能的拓展和完善留下充足接口。

2 系统硬件设计

2.1 总体设计

为满足超声波电动机对驱动控制器的要求，提出了如图1所示的设计方案，采用MSP430F16X系列的MSP430F169单片机作为控制核心设计了新型驱动器。MSP430控制自制的超声波电动机专用驱动芯片PDL1220产生四路频率可调的PWM波，驱动推挽电路的开关管工作，从而实现对电机起停、正反转及调频调速的功能。在推挽逆变电路之前，增加了Boost升压电路，通过调整MSP430输出PWM波的占空比，实现Boost电路输出电压的调节，从而改变驱动器最终的输出电压，实现电机调压调速的功能。匹配电路采用常用的串联电感匹配，同时增加了Boost电路输出电压反馈和孤极电压反馈两个反馈电路，实现闭环控制。

图1 驱动器硬件框图

2.2 主电路部分设计

驱动器主电路部分如图 2所示，它由Boost电路和推挽电路级联组成。输入电压首先经Boost电路升压后，再由推挽电路升压逆变，最后加至超声波电动机使其工作。

升压电路采用Boost设计方案，电路设计参数如下:输入电压12 V(DC);输出电压15～45 V(可调);工作频率100 kHz;电源的输出滤波电容容量为100 μF;电源的输出滤波电容耐压值为65 V。

图2 驱动器主电路(单相)

Boost升压电路的负载为电机驱动电路，在升压电路的输出端并联了一个较大的电阻R，防止电机故障等原因造成负载开路，导致Boost电路损坏。

根据文献［8］，由式(1)计算得到Boost升压电路在电流连续模式和断续模式工作时的电感临界值为 41.6 μH。

式中:LB为临界电感;fs为开关管Q1的工作频率;Io为输出电流;Vo为Boost电路的输出电压;Dmin为控制开关管Q1信号的最小占空比。本文采用电流连续模式。

推挽逆变电路部分的输入电压即为Boost电路的输出电压15～45 V，相应的输出电压为133～400 V。开关管的驱动频率为40 kHz，脉冲变压器磁芯采用铁氧体磁芯［9］，磁性材料为NCD公司的LP3。根据法拉第电磁感应定律，由式(2)可以确定原副边匝数，分别选为33和297匝，由此可以求得变比为9。

式中:V为原副边电压;Kf为波形系数;f为开关管Q2和Q3的频率;N为匝数;Bm为磁芯最大工作磁感应饱和强度;Ac为磁芯有效截面积。

2.3 反馈电路部分设计

驱动器的反馈主要有两个部分:Boost升压电路的稳定输出电压反馈和超声波电动机的孤极电压反馈。两个反馈都是通过MSP430的ADC12模数转换模块来采集信号，经过单片机计算后，前者调节驱动电路PWM波的占空比实现输出电压稳定，后者经过DAC12数模转换模块，控制PDL1220芯片的输出频率，以实现用孤极电压反馈来稳定超声波电动机工作状态。

2.3.1 Boost输出电压反馈电路

Boost电路输出电压反馈采用电阻分压采样。Boost输出电压经电阻分压后输入MSP430，为了防止电压烧坏MSP430芯片，使用一个6 V稳压管连接到反馈可调电阻上，当输出电压高于6 V时，稳压管导通，保护MSP430芯片。

2.3.2孤极电压反馈电路

超声波电动机的稳定性受温度、摩擦损耗等干扰较大，其中温度变化对其运行稳定的影响最为显著。这是因为当电机在使用过程中发热，使电机温度发生变化，定子的谐振特性将会改变。如果激励频率不随着谐振特性的变化而变化，电机开环运行下的性能就会明显改变［10－11］。因此，为了使超声波电动机转速保持稳定，有必要引入反馈电路实现闭环控制。采用孤极电压反馈电路，对超声波电动机的转速进行调节，使电机保持稳定的工作状态。其原理是在超声波电动机的定子上增加一个单独的压电陶瓷作为电压传感器，称之为孤极，理想情况下，孤极电压的幅值与电机转速成正比关系。孤极电压经整流和滤波后，经单片机MSP430的ADC12模数转换模块采集，模拟信号变成数字信号。在MSP430单片机中，对孤极电压与设定电压作比较计算，通过DAC12数模转换模块，输出相应的电压至PDL1220芯片，调整输出信号频率，从而实现闭环控制。

图3为孤极电压反馈控制系统框图。在PI控制器中，把P控制的增益选得较小，在整个系统稳定的情况下，稳态时的孤极电压等于设定电压，通过改变设定电压来对电机进行调速。

图3 孤极电压反馈控制系统框图

由于孤极电压为交流电，所以孤极电压采集后必须经整流滤波电路变成直流电后送至MSP430，同时由于本驱动器采用推挽电路来驱动电机，所以孤极电压采集时最好实现隔离，采用TL431加4N35实现电压隔离采集，孤极电压反馈电路如图4所示。

图4 孤极电压反馈电路图

3 实验结果

实际制作的驱动器如图5所示，用此驱动器驱动TRUM60型超声波电动机。电机技术指标如下:驱动频率 41.3 kHz，输入电压 12 V，输入电流1.0 A，电机转速161 r/min。MOSFET的栅极波形及最终的输出电压波形如图6所示。由图可见，栅极信号无毛刺，且占空比为45%。施加孤极电压反馈电路后，电机工作运行稳定，速度变化可稳定在5%以内。测试了电机在固定频率下的调压调速性能，调速曲线如图7所示，具有较好的线性。