超聲電動(dòng)機(jī)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種集電機(jī)、精密機(jī)械、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和功能材料等于一體的新型高科技產(chǎn)品。它以無(wú)噪聲、大轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)速度快、不受磁場(chǎng)影響、控制性能好等特點(diǎn)，不僅可用于工業(yè)設(shè)備、儀器儀表、計(jì)算機(jī)外設(shè)、辦公自動(dòng)化和家用電器上，而且可用于機(jī)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(dòng)機(jī)被譽(yù)為新世紀(jì)的“綠色電動(dòng)機(jī)”^[1]。

    由于超聲電動(dòng)機(jī)是利用摩擦傳動(dòng)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(huì)隨著溫度而變化，因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要對(duì)位置、速度和力矩進(jìn)行控制。另外，超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路是在高頻、高壓條件下驅(qū)動(dòng)的容性負(fù)載，故效率比較低，致使超聲電動(dòng)機(jī)的工作頻率比較低。定子諧振頻率非常敏感于負(fù)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(dòng)控制系統(tǒng)中必須有自動(dòng)跟蹤諧振頻率變化電路，以保持驅(qū)動(dòng)頻率總處于最佳的范圍^[2]。本文提出基于計(jì)算機(jī)常用8254芯片的行波超聲電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制方法，將變頻、變相控制方案有機(jī)地結(jié)合在一起，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)了行波超聲電動(dòng)機(jī)的精確角度控制和運(yùn)行速度控制。

1  計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成及其原理

    行波超聲電動(dòng)機(jī)要求輸入二相交流電以產(chǎn)生定子環(huán)內(nèi)部的行波運(yùn)動(dòng)，由于行波超聲電動(dòng)機(jī)的一相等效電路為容性電路，故可將方波信號(hào)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(hào)以驅(qū)動(dòng)行波超聲電動(dòng)機(jī)，控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1  驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

    根據(jù)二路方波信號(hào)相位差與定子環(huán)表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)系可以確定，如果二路信號(hào)相位差90°（電角度）時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。通過(guò)改變相位差，可對(duì)位置、速度和力矩進(jìn)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(guò)對(duì)輸出方波信號(hào)頻率進(jìn)行控制，達(dá)到抑制諧振頻率的漂移^[3]。

    方波發(fā)生器在單片機(jī)控制下，可產(chǎn)生兩路相同頻率、一定相位差的方波信號(hào)，作為驅(qū)動(dòng)電路的輸入控制信號(hào)；同步電路根據(jù)變頻、調(diào)相的時(shí)序要求，單片機(jī)按序啟動(dòng)方波發(fā)生器，使兩路信號(hào)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(jī)接口；驅(qū)動(dòng)部分為一推挽式逆變電源，提供超聲電動(dòng)機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)電流；單片機(jī)可對(duì)反饋頻率檢測(cè)，使驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(jì)

    8254是一種常用的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，具有三個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器有六種工作方式，其計(jì)數(shù)速度可達(dá)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(hào)及二路方波信號(hào)相位差的控制信號(hào)。計(jì)數(shù)器0和計(jì)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(hào)，并通過(guò)改變計(jì)數(shù)器數(shù)值實(shí)現(xiàn)變頻控制。計(jì)數(shù)器2工作于0方式，即終止計(jì)數(shù)中斷方式，用來(lái)控制計(jì)數(shù)器1允許與停止計(jì)數(shù)，使其滯后于計(jì)數(shù)器0數(shù)個(gè)時(shí)鐘脈沖才開(kāi)始計(jì)數(shù)，以便獲得具有一定相位差的二路方波信號(hào)，且通過(guò)改變計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)值實(shí)現(xiàn)二路方波信號(hào)相位差的控制。工作于最小模式時(shí)，8254的WR由微機(jī)WR和IOWC通過(guò)或門(mén)產(chǎn)生；工作于最大模式時(shí)，8254的WR與IOWC連接。

圖2  方波發(fā)生器硬件框圖

    讀寫(xiě)控制邏輯接受來(lái)自CPU的讀寫(xiě)信號(hào),依此確定對(duì)三個(gè)計(jì)數(shù)器和控制寄存器中個(gè)進(jìn)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(hào)如表1所示。

表1  控制信號(hào)表

    設(shè)時(shí)鐘頻率為f_OSC，產(chǎn)生方波的頻率為f₀，計(jì)數(shù)器0和計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)值發(fā)分別為N₀、N₁，計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)值為N₂，相位差為Φ，則有

    N₀=N₁=(1)

    N₂=·N₀(2)

    為使計(jì)數(shù)器0、1所產(chǎn)生方波信號(hào)具有精確相位差，同步信號(hào)S可控制GATE0和GATE2，使計(jì)數(shù)器0、2同步計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器2完成計(jì)數(shù)時(shí)，OUT2=1控制計(jì)數(shù)器1的GATE1，使GATE1=1，計(jì)數(shù)器1則開(kāi)始計(jì)數(shù)，故可以產(chǎn)生具有一定相位差的二路方波信號(hào)。

    隨著計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)值N₂改變，計(jì)算機(jī)在選中8254時(shí)開(kāi)始對(duì)計(jì)數(shù)器2寫(xiě)入新的計(jì)數(shù)值，同步信號(hào)S由1置為0，三個(gè)計(jì)數(shù)器均停止計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器2寫(xiě)入計(jì)數(shù)值結(jié)束時(shí)，同步信號(hào)S置為1，并保持使GATE0=1、GATE2=1，計(jì)數(shù)器0、2開(kāi)始同步計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)結(jié)束，GATE1=1，計(jì)數(shù)結(jié)束，GATE1=1，計(jì)數(shù)器1開(kāi)始計(jì)數(shù)。從而完成方波信號(hào)的變相位控制。

    當(dāng)計(jì)數(shù)器0、1、2寫(xiě)入新的計(jì)數(shù)值，計(jì)算機(jī)選中8254時(shí)，同步信號(hào)S由1置為0，計(jì)數(shù)器均停止計(jì)數(shù)，程序按順序?qū)Ω饔?jì)數(shù)器寫(xiě)入計(jì)數(shù)值。計(jì)數(shù)器2寫(xiě)入計(jì)數(shù)值結(jié)束，同步信號(hào)S置1，并保持計(jì)數(shù)器0、2開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)，計(jì)數(shù)器1開(kāi)始計(jì)數(shù)，完成方波信號(hào)的變頻控制。

    同步信號(hào)S的特征方程為

    S=(CS＋WR)·

    =A_IN（3）

    =A_ON

同步信號(hào)S只是在對(duì)計(jì)數(shù)器寫(xiě)入計(jì)數(shù)值完成后才由0置為1，并保持至下次對(duì)8254任一計(jì)數(shù)器重新寫(xiě)入計(jì)數(shù)值。同步信號(hào)S的真值表如表2所所示。

表2  S的真值表

3  軟件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以CPU對(duì)I/O的讀寫(xiě)操作為主，整個(gè)軟件包括啟動(dòng)、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(gè)模擬量的數(shù)字轉(zhuǎn)換，在A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)一個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換結(jié)束后，才可對(duì)另一個(gè)模擬量進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，該時(shí)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(fèi)。因此，采用二片A/D轉(zhuǎn)換器分別對(duì)二個(gè)模擬量轉(zhuǎn)換。程序采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編寫(xiě)。 

    設(shè)f_OSC=10MHz，f₀=833kHz，相位差為π/2時(shí)，系統(tǒng)硬件電路的時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

    當(dāng)時(shí)鐘脈沖頻f_OSC=10MHz，N₀=500，N₁=124時(shí)，系統(tǒng)硬件電路上機(jī)實(shí)驗(yàn)，計(jì)數(shù)值寫(xiě)入后產(chǎn)生二路頻率為20kHz，相位差為90°的方波信號(hào)。變相步長(zhǎng)和精度為0.72°，頻率的變化范圍為0～10MHz。當(dāng)f₀增大時(shí)，變相步長(zhǎng)增大，精度降低；當(dāng)f₀>5MHz時(shí)，電路只能輸出二路同相方波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制方案具有以下特點(diǎn)：

    （1）系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)字化程度高，控制性能良好；

    （2）軟件采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，既使程序設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制提供一種新的方法。