摘要：介绍了用32位DsP作为核心处理单元的超声波电动机控制器产品研制。根据产、Ik化设计要求，茫控制器产品进行了模块化设计，既确保现有控制器产品运行的可靠胜和稳定性，又确保现有控制器设计技术的廷续性以及控制器产品今后的发展。

    关键词：超声波电动机；控制；DsP；模块化；产品

0引言

    超声波电动机是近几年得到迅速发展的一种新型电机，它突破了传统电机的概念，没有电磋绕组和磁路，不以电磁的相互作用来传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应产生超声波振动．通过摩擦来传递能量。与传统的电磁电机相比，它具有惯性小、响应快、控制特性好、不受磁场影响、同时本身也不产生磁场、定位精度高等特点。特别是它具有重量轻、结构简单、噪声小、低速大扭矩、可直接驱动负载等特性。由于直接驱动负载，避免了使用齿轮变速而产生的振动、噪声、间隙以及低效率、难控制等一系列问题。超声波电动机作为执行元件，它的上述优异性能受到了控制界的高度重视，因此超声波电动机的控制研究得到了迅速发展。

随着超声波电动机产业化_[作的深入，对超声波电动机的控制特性研究也在不断加深，为了充分发挥超声波电动机的优异性能，研制一款高性能的超声波电动机控制器产品显得非常重要。本文介绍了用32位DsP作为核心处理单元的超声波电动机控制器产品研制。根据产业化设计要求，对控制器产品进行了模块化设计，既确保现有控制器产品运行的可靠性和稳定性，叉确保现有控制器设计技术的延续性以及控制器产品今后的发展。

1方案设计

    超声波电动机通过对与定子结合的压电陶瓷施加高频交流电压，利用压电陶瓷的逆压电效应激发定子的超声振动，再通过定子和转子之间的摩擦耦合，将定子的微观振动变换成转子宏观上

的旋转或者直线运动，实现能量的转换。但由于超声波电动机定子振动的非线性、时变的阻抗特性与幅频特性，到目前为止超声波电动机还没有精确的数学模型来描述，因此超声波电动机的性能好坏与电机的控制系统设计水平密切相关。

    超声波电动机是由高频交流电压驱动的，根据其驱动原理，一般有如F三种控制方法：(1)调压控制，通过调节PwM波的占空比来实现；(2)调频控制，通过调节驱动电压的频率来实现：(3)调相控制，通过调节两相驱动电压的相位来实现。

  随着超声波电动机产业化工作的深入，市场上对超声波电动机产品的控制特性要求越来越多，也越来越复杂，因此对超声波电动机采用的控制方法从一种发展到二种甚至三种共用。这对超声波电动机控制器产品核心处理单元的数据处理能力和实时控制能力提出了相应要求。

    虽然超声波电动机控制器产品核心处理单元已经从8位单片机发展到16位单片机和16位DsP，但离当前要求还有差距，因此急需开发了以32位I)SP·作为核心处理单元的超声波电动机

控制器产品。

    本产品核心处理单元采用TI公司****推出的32位TMS320(：：Z8X系列的DsP—TMS，320t2810芯片，它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特g4适用于马达伺服控制系统等应用场合。

    TMS320t?2810主要性能如下：(1)采用高性能静态cMOs技术，核心电压为1 8 v，I／O口电压为33 v，Flash编程电压3 3 v，大大降低了功耗；(2)****工作频率为150 MIIz，进一步提高了控制器的实时控制能力；(3)高性能的32位中央处理器，具有16位×16位和32位×32位乘且累加操作；(4)片内存储器资源更加丰富，具有64k×16位的F LJAStjROM，lk×16位的OTPROM，18k×16位的sARAM，但无外部存储器接口；(5)中断资源更加丰富，便于软件设汁；(6)128位的密钥保护，适合产品化；(7)3个32位的cPu定时器；(8)片内包含两个事

件管理器模块，每个模块包含：两个16位通用定时器、8个16位的PwM通道、3个捕获单元、3个比较单元、片内光电编码器接口电路；(9)串口外围设备包括：两个串行通信接口(scI)、一个串行外设接口(sPI)、改进的局域网控制器(ecAN)以及多通道缓冲串行接口(Mc]3St，)；(10)12位的ADc模块，具有16通道；(11)支持低功耗模式和节能模式。

    TMS320t2810的功能框图如图1所示。其丰富的内部资源和较大的内存，适合进行超声波电动机控制。

  根据模块化设计思想，超声波电动机控制器产品由控制模块和驱动模块：个模块组成，其中驱动模块直接借用uMc60一M80控制器的驱动模块，本产品的开发重点放在控制模块的设计上．

控制模块以TMS3201：’2810为核心处理单元，利用它对外设的高度集成，简化了硬件，提高了性能。具体组成见图2超声波电动机控制器控制模块硬件框图。控制模块通过TMS320F2810

协调_==『=作主要完成远程通信、本地设置、编码、器反馈处理、控制算法实现、调频控制、调幅控制、调相控制、驱动信号产生等功能。在控制模块完成的这些功能中驱动信号产生功能是直接关系到电机运行可靠性和稳定性，下面重点介绍它的实现方法。

                                                                          图2超声波电动机控制器控制模块硬件框图

     TMs320F2810芯片的事件管理器资源丰富，每个事件管理器模块包含两个16位通用目的(GP)定时器、8个16位的PwM通道、3个捕获单元、3个全比较单元和一个正交编码脉冲电路。每个事件管理器在同一时刻可以产生8个PwM的波形输出；3个全比较单元口1单独产生3对输出；通过GP定时器的比较功能可产生两个单独的PwM输出。本设计中利用定盱器l和定时器3的全比较单元输出四路P wM波。GP定时器为全比较单元提供时基，通过设差定时器控制寄存器选择定时器为连续增／减模式：f一作方式。定时器训数周划由相应周期寄存器设差值决定，比较匹配点由比较寄存器值决定。通过设置比较控制寄存器来使能相关比较操作，GP定时器计数器的值不断的与相关比较寄存器的值进行比较，当定时器计数器的值等于比较寄存器的值时便会产生一个比较输出，输出逻辑电路决定当匹配发生时，PwM输出引脚的输出极性或是如何动作，可以通过设置比较行为控制(AcTR)寄存器的相应位使与比较电路相关的输出设定为高电平、低电平、强制高电平或强制低电。

通过设置相应的寄存器，保证正确有序的控制逻辑就可产生要求的PwM波，定时器1产生    两路PwM波Hm和LIN的原理如图3所示。通过调整定时器1相应的寄存器可以实现调频和调幅功

能．通过调整定时器1和定时器3之间的关系实现调相功能。

    驱动模块完成驱动升Ⅱ三、负载匹配、接口匹配、异常信号处理、电源输入等功能。具体组成如图4所不超声波电动机控制器驱动模块硬件框图。控制模块产生的两路PwM波HlN和LIN输入到驱动模块，再通过驱动模块E接口匹配电路和驱动芯片IR2103产生两路开关管驱动信号HO和LO驱动场效应管IRF540，再通过推挽升压电路得到超声波电动机所需的驱动信号。

        通过设计，本产品具有以下主要特点：1)能实现三种控制方法混合控制；2)模块化设计：、3)能实现多个功能：本地控制、远程控制；4)有多个功能接口：Rs一232接口、编码器反馈接口、基本控制接口等；5)能实现异常保护功能；6)小型化，结构紧凑，外观美观；7)高可靠、性，高稳定性。

2结论

    根据以上方案设计完成丁本产{自的研制，其型号为uMc60一M8l，如图5所示。

削它酣合uMT60—E1型超声波电动机(带可4倍频到100。0线的光电编码器)进行了应用实践。从uMT60一El型超声波电动机实际应用中的控制特性看，本产品既确保了uMT60一El型超声波电动机运行的可靠性和稳定性，又充分发挥超声波电动机的优异性能。本产品的研制为超声波电动机的进一步推广打下了坚实的基础。

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