基于ARM的超声波电动机嵌入式驱动控制系统

    段小汇 ，莫岳平 ，张新星

(i盐城工学院，江苏盐城224003；2扬州大学，江苏扬州225009)

    摘要：介绍了环形行波型超声波电动机的一种新型驱动控制方案。该系统以S3C44BOX系列ARM微控制器为核心，并将bC／OS II多任务实时操作系统和#,C／GUI图形系统移植到ARM微控制器上，成为系统软件的上作平台和人机交互系统的没计T具。详细介绍了系统硬件的组成和T作原理，同时给出了系统软件主程序的设计思路。利用bC／GUI所提供的丰富的拧件功能，提供了简洁、友好的人机交界面。最后利用所设计的系统对电机作闭环驱动，并进行了测试。实验结果表明，该设计缩短了软件开发周期，同时得到了比较精准的控制精度：

    关键词：bC／OS—II；bC／GUI；ARM；超声波电动机

    中图分类号：TM35  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2009)12—0059—02

0引  言

    超声波电动机是利用压电陶瓷的逆压电效应并激发定子弹性体的超声振动而工作的、具有全新结构和工作原理的微特电机^[1]。超声波电动机的许多优点，特别是动作响应快，使其在精密控制领域有独特的优越性。超声波电动机的特殊结构和驱动原理决定了它的传递函数是非线性的，目前还没有一个精确的数学模型，因而对它的驱动控制技术研究是超声波电动机研究的重点和难点。在国外，AtsuoKmo等人实现了环形行波型超声波电动机的柔顺控制，并实现了超声波电动机直接驱动机械臂的柔顺控制^[2].Yuj，Izuno等人实现了基于模糊推理的高性能速度／位置控制策略^[3]。。T0monobu senjyu等人实现了自适直控制下的超声波电动机自适应速度控制^[4]。FaaJ—gn提出将模糊神经元网络技术应用于超声菠毛蟊机位最控制，以降低因电机参数变化而造成℃垄≤嚷麦的影响^[5]。seiji A。yagi等人应用相移输入及电压输入与一个模糊控制器，实现了超声波电动机的快速精密定位控制^[6]。在国内，天津大学的夏长亮等人设计 基于单片机和PwM技术的超声波电动机驱动控制系统^[7]。东南大学的胡敏强等人设计了基于DsP的超声波电动机驱动控制系统^[8]。

    由于普通单片机的时钟频率较低，无法处理较多的任务和复杂算法的加载，所以用它作为超声波电动机这种动作响应快、控制精度高的特种电机的控制核心无法满足需求，而且不能运行操作系统，不方便程序的移植和修改。DsP则更偏重与算法，且价格较高，用于电机控制也不是很合适。与上述两种相比，ARM微控制器具有高运算速度、强大的事务管理能力和低廉的价格等优点，它即可运行操作系统，又可作实时控制使用。这些优点使基于ARM的控制系统能够轻松运行复杂的控制算法，实现更加精确的控制。这样的嵌入式系统在外围电路上更为精简。本文以s3c4480x系列ARM微控制器为系统核心，详细地介绍了系统硬件的组成和工作原理，同时给出系统软件主程序的设计思路。

1系统硬件设计

    前人的研究表明，环形行波型超声波电动机的驱动电源要求为两相相位相差90。，频率在谐振点附近的正弦交流信号。本文所设计的基于ARM的超声波电动机嵌入式驱动控制系统正是依据这样的电源要求的。本控制系统由主控制模块、信号发生模块、功率放大模块和反馈输出模块等五部分组成。主控制模块采用基于ARM7TDMI核的s3c44BOx系列ARM微控制器^[9]，其作用是接收反馈输出模块的反馈信号、运行算法、输出频率控制字。信号发生模块由一系列-卷片组成，主要有D／A转换器、v／F转换器和环形计数器，它的作用是接收频率控制字信号，经D／A转换成相应电压，再经v／F转换成可编程控制的频率信号，该信号作为环形计数器的脉冲信号，产生四路相位依次差90。的脉冲信号。功率放大模块包括一个半桥驱动芯片IR2103和变压器，通过耦合逆变将四路脉冲转换成两路相位差90。的交流方波脉冲信号。因为电机近似于容性负载，所以加上电机后，驱动信号就近似于正弦波信号。反馈输出模块由编码器构成，通过计算限定时间内的脉冲个数得出速度和位置信息。系统结构图如图1所示.

2系统软件设计

     本系统的软件部分主要分为LcD显示模块、键 盘输入模块、触摸屏模块、波形发生模块、反馈计算机i模块和算法模块等六个模块：系统的工作流程如 下：系统上电运行后LcD显示欢迎界面，等待“欢迎进入的触摸，然后进入主控界面，主控界面最初所有