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| 基于NuMtcm M0516的超声波电动机驱动电路设计(zxj) |
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摘要：以NuMtcm M0516微控制器为主控芯片，以推挽逆变电路为主电路，设计了一种成本低、通用胜强、稳定性好的超声波电动机驱动电路。该驱动电路可方便地实现调频、调相及凋压。当驱动信号频率为40 kHz时，频率调节精度为32 Hz，相位差调节精度为O 288。，占空比调节精度为0 08％。测试结果表明该驱动电路能够稳定、可靠地驱动电机。
关键词：NuM·cm M0516；推挽逆变电路；超声波电动机；驱动电路O引 言超声波电动机利用压电材料的逆压电效应及定转子间的摩擦作用，将电能转换为机械能。超声波电动机特殊的工作机理使其与传统的电磁电机相比，具备许多优点，如：结构紧凑、低速大力距、无电磁干扰、动态响应快等。超声波电动机L二广泛应用在微型机械、精密仪器、航空航天、医疗器械等诸多领域”0。
超声波电动机驱动电路一般由信号发生、功率放大、匹配电路等部分组成。信号发生是驱动电路的核心部分，一般是用Mcu、D．sP或压控振荡器(Vc0)等数字电路实现。由于DsP偏重于算法，且价格较高，用于电机驱动性价比不高”。。而采用压控振荡器产生信号，需外加分频分相电路，且电参数调节不便，故压控振荡器也不是很合适”0。与f．述两种相比，Mcu不仅具有高运算速度、能实现精确控制的优点，而日．价格低廉，非常适合于用作驱动电路的信号发生器。
本文以NuMicm M0516微控制器为核心，研制了一款超声波电动机驱动电路，并详细地介绍_『系统硬件的组成和工作原理，同时给出厂系统软件程序的设计‘思路。
1系统硬件设计1．1总体结构本文研制的超声波电动机驱动电路结构如图l所示，系统由M0516接收Pc串口发送的频率、相位差、占空比等控制信号，产生四路互差90。的同频方波信号，经光耦隔离电路、开关管驱动电路、推挽逆变电路，得到两路相差90。的高压功率方波信号。
此方波信号含有丰富的谐波成分，需通过匹配电感滤去高次谐波，得到驱动超声波电动机所需的两路相差90。的高频高压正弦信号。下面分别介绍各部分电路的构成及功能。
1．2微控制器控制部分是整个驱动电路的核心。微控制器采用了NuMicro M0516，它是一款NuTOVON新推出的基于ARMcortex—M0核的32位单片机，其内核可运行至50 MHz，执行速度快、存储量大、功能强大且价格很低廉。
M0516利用其内部集成的PwM发生器产生四路互差90。的同频方波信号。每个PwM发生器包括两个16位计数器、丽个16位比较器及一个可编程的死区发生器，可产牛两路带死区的方波信号。
其中计数器用于控制方波信号的频率，比较器用于控制方波信号的占空比。此外该计数器和比较器都具有缓存功能，即在当前周期的任意处改变计数器或比较器的初始值，该值在下一周期开始时才被更新。本文正是利用该缓存功能实现方波信号的相位差控制与调节。
JV[0516输出的方波信号的频率f频率分辨率、占空比D、占空比分辨率Id及相位差分辨率。分别：
式中坑，。为时钟频率，范围为4～50 MHz；Ⅳ为计数器初始值，考虑到中断响应时间，范同为1 0～65 535；肼为比较器初始值，范围为O～65 535。因此M0516输出的方波信号的频率范围为6l Hz～5MHz，占空比范围为0～100％，相位差范围为0。～360。，且当方波信号频率为40 kHz时，频率分辨率为32 Hz，占空比分辨率为0．08％，相位差分辨率为0．288。。
1．3功率放大电路为防止功率放大电路对控制部分的干扰，需在功率放大前进行光耦隔离。功率放大电路可用推挽逆变、半桥逆变或全桥逆变实现。与半桥逆变、全桥逆变相比，推挽逆变电路具有结构简单、所用器件少、通态损耗低的优点，特别适用于电源电压较低的场合”0。
如图2所示，推挽逆变电路南两个开关管和变压器组成，两个开荚管在互补方波信号的控制下周期性交替导通，在变压器原边产生相反的电流，在副边感应出交变的电压信号。根据超声波电动机的功率和工作频率，开关管选用MOs管IRF530。在图2中，Yl、Y2为开关管驱动电路输出的两路互补方波信号；电阻冗．和电容c．构成吸收电路，用于防止变压器漏感产生的尖峰电压对开关管产生过压冲击。
1．4开关管驱动电路为保证开关管的快速导通，驱动电路应能提供足够火的充电电流，使栅源间电压迅速上升到所需值日不产生震荡。在导通期间，驱动电路应能保证栅源间电压保持稳定，使开关管可靠导通”。。
Il{4427是一款MOsFET专用驱动芯片，其输出电压为6～20 V，输出峰值电流为1．5 A，可将M0516输出的5 V方波信号转换成开关管IRF530所需的驱动信号。在图3中，x．、丑：为光耦隔离输出的两路互补方波信号；电阻兄，、R。是为了防止电路巾的寄生感抗和开关管结电容发生谐振，避免导致开关管栅极产生震荡尖峰；电阻见、R。是为r防止开关管的高输入阻抗耦合噪声信号给开关管，避免导致开关管异常开通；稳压管z1、z2是为了保证开关管栅源电压的稳定，且防止栅源电压过高导致的开关管失效；二极管D1、D2是在开关管关断时，为栅极电荷提供低阻抗放电回路，提高开关管的关断速度。
1．5匹配电路推挽逆变电路产生的两路相差90。的功率方波信号，需经过匹酣电路，滤掉谐波成分，并减少无功损耗，才能较好地驱动超声波电动机。由于超声波电动机在谐振频率附近：I．作时呈容性，一般采用串联电感进行匹配。l半联电感值计算如下：
式中：m为电机借振角频率；R为定子机械损耗的等效电阻；c为电机夹持电容；L为匹配电感。
2系统软件设计主程序流程如图4所示。该程序主要实现两部分功能，一部分是串口通讯，另一部分是产生四路互差90。的同频方波信号。串口通讯是为了向M0516发送力坡信号的频率、相位差、r～空比等控制信号，便于实现调频、调相和调压。这里主要介绍四路互差90。的同频方波信号的软件实现．．1 2节中已提到方波信号的频率是由计数寄存器的值控制，方波信号的占空比是由比较寄存器的值控制。下面介绍方波信号的相位差实现。
如图5所示，首先初始化PwMl的频率为PwM2的频率为，即PwM2周期为PwMl周期的<倍，然后使能PwMl、PwM2同刚运行，最后重新将PwM2的频率设置为f。由于1．2节巾提到PwM计数器具有缓存功能，因此使能PwMl、PwM2同时运行后，不会立即更新PwM2的计数器初始值，即不会立即改变PwM2的频率，只当PwM2的一个周期完成时，才会自动改变PwM2的频率，使其与PwMl的频率相同。因此PwM2相对于PwMl在相位上相差90。，频率仍然相同。由上述分析可知，只要调整PwM2最初的频率，便可产生不同的相位差。综上所述，M0516可产生一定频率、相位差及占空比的方波信号，日一顷率、相位差及占空比可调．．3实验结果图6(a)驱动电路实物，该驱动电路可产生两路具有一定相位差的高频高压正弦信号，能较好地驱动超声波电动机，且能方便地实现调频、调相和调压。用此电路驱动@60超声波电动机，驱动信号频率为40 8 kHz，实验结果如F：图6(b)为四路互差90。的丌关管驱动信号，峰峰值为10 V；图6(c)为不带电机时驱动电路输出的两路相差90。的方波信号，峰峰值约为180 V；图6(d)为带电机时驱动电路输出的两路相差90。的正弦信号，其峰峰值约为370 V．．4结语本文设计r一款基于NuMicro M0516的超声波电动机驱动电路，从硬件和软件随方面介绍了该系统，并进行r驱动实验。该驱动电路采用M0516作为控制器，不仅能方便地实现调频、调相和调压，而且将信号发生、分频分相、占空比、死区设置等功能都整合到～10516中，极大地提高了电路的稳定性与可靠件，缩小r电路的体积。此外该驱动电路成本低，通用性强，有利于市场化和产业化. |
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