| 基于32位DSP的超聲波電動機控制器產品研制
摘要：介紹了用32位DsP作為核心處理單元的超聲波電動機控制器產品研制。根據產、Ik化設計要求，茫控制器產品進行了模塊化設計，既確�，F有控制器產品運行的可靠勝和穩定性，又確�，F有控制器設計技術的廷續性以及控制器產品今后的發展。
關鍵詞：超聲波電動機；控制；DsP；模塊化；產品
0引言
超聲波電動機是近幾年得到迅速發展的一種新型電機，它突破了傳統電機的概念，沒有電磋繞組和磁路，不以電磁的相互作用來傳遞能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應產生超聲波振動．通過摩擦來傳遞能量。與傳統的電磁電機相比，它具有慣性小、響應快、控制特性好、不受磁場影響、同時本身也不產生磁場、定位精度高等特點。特別是它具有重量輕、結構簡單、噪聲小、低速大扭矩、可直接驅動負載等特性。由于直接驅動負載，避免了使用齒輪變速而產生的振動、噪聲、間隙以及低效率、難控制等一系列問題。超聲波電動機作為執行元件，它的上述優異性能受到了控制界的高度重視，因此超聲波電動機的控制研究得到了迅速發展。
隨著超聲波電動機產業化_[作的深入，對超聲波電動機的控制特性研究也在不斷加深，為了充分發揮超聲波電動機的優異性能，研制一款高性能的超聲波電動機控制器產品顯得非常重要。本文介紹了用32位DsP作為核心處理單元的超聲波電動機控制器產品研制。根據產業化設計要求，對控制器產品進行了模塊化設計，既確�，F有控制器產品運行的可靠性和穩定性，叉確�，F有控制器設計技術的延續性以及控制器產品今后的發展。
1方案設計
超聲波電動機通過對與定子結合的壓電陶瓷施加高頻交流電壓，利用壓電陶瓷的逆壓電效應激發定子的超聲振動，再通過定子和轉子之間的摩擦耦合，將定子的微觀振動變換成轉子宏觀上
的旋轉或者直線運動，實現能量的轉換。但由于超聲波電動機定子振動的非線性、時變的阻抗特性與幅頻特性，到目前為止超聲波電動機還沒有精確的數學模型來描述，因此超聲波電動機的性能好壞與電機的控制系統設計水平密切相關。
超聲波電動機是由高頻交流電壓驅動的，根據其驅動原理，一般有如F三種控制方法：(1)調壓控制，通過調節PwM波的占空比來實現；(2)調頻控制，通過調節驅動電壓的頻率來實現：(3)調相控制，通過調節兩相驅動電壓的相位來實現。
隨著超聲波電動機產業化工作的深入，市場上對超聲波電動機產品的控制特性要求越來越多，也越來越復雜，因此對超聲波電動機采用的控制方法從一種發展到二種甚至三種共用。這對超聲波電動機控制器產品核心處理單元的數據處理能力和實時控制能力提出了相應要求。
雖然超聲波電動機控制器產品核心處理單元已經從8位單片機發展到16位單片機和16位DsP，但離當前要求還有差距，因此急需開發了以32位I)SP·作為核心處理單元的超聲波電動機
控制器產品。
本產品核心處理單元采用TI公司****推出的32位TMS320(：：Z8X系列的DsP—TMS，320t2810芯片，它既具有數字信號處理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特g4適用于馬達伺服控制系統等應用場合。
TMS320t?2810主要性能如下：(1)采用高性能靜態cMOs技術，核心電壓為1 8 v，I／O口電壓為33 v，Flash編程電壓3 3 v，大大降低了功耗；(2)****工作頻率為150 MIIz，進一步提高了控制器的實時控制能力；(3)高性能的32位中央處理器，具有16位×16位和32位×32位乘且累加操作；(4)片內存儲器資源更加豐富，具有64k×16位的F LJAStjROM，lk×16位的OTPROM，18k×16位的sARAM，但無外部存儲器接口；(5)中斷資源更加豐富，便于軟件設汁；(6)128位的密鑰保護，適合產品化；(7)3個32位的cPu定時器；(8)片內包含兩個事
件管理器模塊，每個模塊包含：兩個16位通用定時器、8個16位的PwM通道、3個捕獲單元、3個比較單元、片內光電編碼器接口電路；(9)串口外圍設備包括：兩個串行通信接口(scI)、一個串行外設接口(sPI)、改進的局域網控制器(ecAN)以及多通道緩沖串行接口(Mc]3St，)；(10)12位的ADc模塊，具有16通道；(11)支持低功耗模式和節能模式。
TMS320t2810的功能框圖如圖1所示。其豐富的內部資源和較大的內存，適合進行超聲波電動機控制。
根據模塊化設計思想，超聲波電動機控制器產品由控制模塊和驅動模塊：個模塊組成，其中驅動模塊直接借用uMc60一M80控制器的驅動模塊，本產品的開發重點放在控制模塊的設計上．
控制模塊以TMS3201：’2810為核心處理單元，利用它對外設的高度集成，簡化了硬件，提高了性能。具體組成見圖2超聲波電動機控制器控制模塊硬件框圖�？刂颇K通過TMS320F2810
協調_==『=作主要完成遠程通信、本地設置、編碼、器反饋處理、控制算法實現、調頻控制、調幅控制、調相控制、驅動信號產生等功能。在控制模塊完成的這些功能中驅動信號產生功能是直接關系到電機運行可靠性和穩定性，下面重點介紹它的實現方法。
圖2超聲波電動機控制器控制模塊硬件框圖
TMs320F2810芯片的事件管理器資源豐富，每個事件管理器模塊包含兩個16位通用目的(GP)定時器、8個16位的PwM通道、3個捕獲單元、3個全比較單元和一個正交編碼脈沖電路。每個事件管理器在同一時刻可以產生8個PwM的波形輸出；3個全比較單元口1單獨產生3對輸出；通過GP定時器的比較功能可產生兩個單獨的PwM輸出。本設計中利用定盱器l和定時器3的全比較單元輸出四路P wM波。GP定時器為全比較單元提供時基，通過設差定時器控制寄存器選擇定時器為連續增／減模式：f一作方式。定時器訓數周劃由相應周期寄存器設差值決定，比較匹配點由比較寄存器值決定。通過設置比較控制寄存器來使能相關比較操作，GP定時器計數器的值不斷的與相關比較寄存器的值進行比較，當定時器計數器的值等于比較寄存器的值時便會產生一個比較輸出，輸出邏輯電路決定當匹配發生時，PwM輸出引腳的輸出極性或是如何動作，可以通過設置比較行為控制(AcTR)寄存器的相應位使與比較電路相關的輸出設定為高電平、低電平、強制高電平或強制低電。
通過設置相應的寄存器，保證正確有序的控制邏輯就可產生要求的PwM波，定時器1產生 兩路PwM波Hm和LIN的原理如圖3所示。通過調整定時器1相應的寄存器可以實現調頻和調幅功
能．通過調整定時器1和定時器3之間的關系實現調相功能。
驅動模塊完成驅動升Ⅱ三、負載匹配、接口匹配、異常信號處理、電源輸入等功能。具體組成如圖4所不超聲波電動機控制器驅動模塊硬件框圖�？刂颇K產生的兩路PwM波HlN和LIN輸入到驅動模塊，再通過驅動模塊E接口匹配電路和驅動芯片IR2103產生兩路開關管驅動信號HO和LO驅動場效應管IRF540，再通過推挽升壓電路得到超聲波電動機所需的驅動信號。
通過設計，本產品具有以下主要特點：1)能實現三種控制方法混合控制；2)模塊化設計：、3)能實現多個功能：本地控制、遠程控制；4)有多個功能接口：Rs一232接口、編碼器反饋接口、基本控制接口等；5)能實現異常保護功能；6)小型化，結構緊湊，外觀美觀；7)高可靠、性，高穩定性。
2結論
根據以上方案設計完成丁本產{自的研制，其型號為uMc60一M8l，如圖5所示。
削它酣合uMT60—E1型超聲波電動機(帶可4倍頻到100。0線的光電編碼器)進行了應用實踐。從uMT60一El型超聲波電動機實際應用中的控制特性看，本產品既確保了uMT60一El型超聲波電動機運行的可靠性和穩定性，又充分發揮超聲波電動機的優異性能。本產品的研制為超聲波電動機的進一步推廣打下了堅實的基礎。
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