基于MSP430的超聲波電動機新型驅動器

俞 浦，李華峰，宋海軍，李 杰

(1.中國衛星海上測控部，江蘇江陰214431;2.南京航空航天大學，江蘇南京210016)

0 引 言

超聲波電動機(以下簡稱USM)是一種具有全新概念的新型微特電機，與傳統電磁電機工作原理不同，它沒有電樞繞組和磁路，也不是依靠電磁原理來轉換能量，而是利用壓電材料的逆壓電效應，使定子振動在超聲頻域內，通過定子和轉子之間的摩擦來獲得驅動力［1－4］。由于工作原理特殊，與傳統電磁電機相比，USM具有諸如低速大轉矩、慣性小、響應快、噪聲小、易控制、斷電自鎖和不受磁場影響等優點，因而受到廣泛關注，在微機電系統、納米技術、軍工、機器人、生物學、醫療機構、航空航天、辦公自動化等領域展現出很大的應用潛力和優勢。但是，驅動超聲波電動機往往需要配備專用的驅動器，超聲波電動機對驅動信號有著較高的要求，目前國內外開發的超聲波電動機的驅動器及控制電路普遍存在電路體積大，調速手段單一(調頻調速)等問題，為了更好地利用好超聲波電動機的獨特優點，使其在更多的領域得到應用，必須在提高驅動器功能的同時，盡可能減小驅動器的體積［5］。采用目前市面上流行的MSP430芯片，針對TRUM60型電機，開發了一種高性能的超聲波電動機新型驅動器。它將一部分驅動控制電路整合到MSP430中，縮小了驅動器體積，同時增加了調壓調速的功能，提高了驅動器性能。

1 MSP430系列單片機概述

美國 TI公司的 MSP430［6－7］系列單片機是一種超低功耗特性的高性能單片機，它將各種外圍資源集中在片上，實現了片上系統，從而大大簡化了系統的設計。MSP430采用了16位的RISC架構，內部具有豐富的功能模塊，集成了多通道10至14位的A/D轉換器、雙路12位D/A轉換器、比較器、電源電壓檢測、串行口USART(UART/SPI)硬件乘法器、Flash存儲器、看門狗定時器及多個16位、8位定時器等功能模塊。這些功能可以滿足目前超聲波電動機驅動器對單片機的各種需求，簡單可靠，并為以后超聲波電動機驅動器功能的拓展和完善留下充足接口。

2 系統硬件設計

2.1 總體設計

為滿足超聲波電動機對驅動控制器的要求，提出了如圖1所示的設計方案，采用MSP430F16X系列的MSP430F169單片機作為控制核心設計了新型驅動器。MSP430控制自制的超聲波電動機專用驅動芯片PDL1220產生四路頻率可調的PWM波，驅動推挽電路的開關管工作，從而實現對電機起停、正反轉及調頻調速的功能。在推挽逆變電路之前，增加了Boost升壓電路，通過調整MSP430輸出PWM波的占空比，實現Boost電路輸出電壓的調節，從而改變驅動器最終的輸出電壓，實現電機調壓調速的功能。匹配電路采用常用的串聯電感匹配，同時增加了Boost電路輸出電壓反饋和孤極電壓反饋兩個反饋電路，實現閉環控制。

圖1 驅動器硬件框圖

2.2 主電路部分設計

驅動器主電路部分如圖 2所示，它由Boost電路和推挽電路級聯組成。輸入電壓首先經Boost電路升壓后，再由推挽電路升壓逆變，最后加至超聲波電動機使其工作。

升壓電路采用Boost設計方案，電路設計參數如下:輸入電壓12 V(DC);輸出電壓15～45 V(可調);工作頻率100 kHz;電源的輸出濾波電容容量為100 μF;電源的輸出濾波電容耐壓值為65 V。

圖2 驅動器主電路(單相)

Boost升壓電路的負載為電機驅動電路，在升壓電路的輸出端并聯了一個較大的電阻R，防止電機故障等原因造成負載開路，導致Boost電路損壞。

根據文獻［8］，由式(1)計算得到Boost升壓電路在電流連續模式和斷續模式工作時的電感臨界值為 41.6 μH。

式中:LB為臨界電感;fs為開關管Q1的工作頻率;Io為輸出電流;Vo為Boost電路的輸出電壓;Dmin為控制開關管Q1信號的最小占空比。本文采用電流連續模式。

推挽逆變電路部分的輸入電壓即為Boost電路的輸出電壓15～45 V，相應的輸出電壓為133～400 V。開關管的驅動頻率為40 kHz，脈沖變壓器磁芯采用鐵氧體磁芯［9］，磁性材料為NCD公司的LP3。根據法拉第電磁感應定律，由式(2)可以確定原副邊匝數，分別選為33和297匝，由此可以求得變比為9。

式中:V為原副邊電壓;Kf為波形系數;f為開關管Q2和Q3的頻率;N為匝數;Bm為磁芯最大工作磁感應飽和強度;Ac為磁芯有效截面積。

2.3 反饋電路部分設計

驅動器的反饋主要有兩個部分:Boost升壓電路的穩定輸出電壓反饋和超聲波電動機的孤極電壓反饋。兩個反饋都是通過MSP430的ADC12模數轉換模塊來采集信號，經過單片機計算后，前者調節驅動電路PWM波的占空比實現輸出電壓穩定，后者經過DAC12數模轉換模塊，控制PDL1220芯片的輸出頻率，以實現用孤極電壓反饋來穩定超聲波電動機工作狀態。

2.3.1 Boost輸出電壓反饋電路

Boost電路輸出電壓反饋采用電阻分壓采樣。Boost輸出電壓經電阻分壓后輸入MSP430，為了防止電壓燒壞MSP430芯片，使用一個6 V穩壓管連接到反饋可調電阻上，當輸出電壓高于6 V時，穩壓管導通，保護MSP430芯片。

2.3.2孤極電壓反饋電路

超聲波電動機的穩定性受溫度、摩擦損耗等干擾較大，其中溫度變化對其運行穩定的影響最為顯著。這是因為當電機在使用過程中發熱，使電機溫度發生變化，定子的諧振特性將會改變。如果激勵頻率不隨著諧振特性的變化而變化，電機開環運行下的性能就會明顯改變［10－11］。因此，為了使超聲波電動機轉速保持穩定，有必要引入反饋電路實現閉環控制。采用孤極電壓反饋電路，對超聲波電動機的轉速進行調節，使電機保持穩定的工作狀態。其原理是在超聲波電動機的定子上增加一個單獨的壓電陶瓷作為電壓傳感器，稱之為孤極，理想情況下，孤極電壓的幅值與電機轉速成正比關系。孤極電壓經整流和濾波后，經單片機MSP430的ADC12模數轉換模塊采集，模擬信號變成數字信號。在MSP430單片機中，對孤極電壓與設定電壓作比較計算，通過DAC12數模轉換模塊，輸出相應的電壓至PDL1220芯片，調整輸出信號頻率，從而實現閉環控制。

圖3為孤極電壓反饋控制系統框圖。在PI控制器中，把P控制的增益選得較小，在整個系統穩定的情況下，穩態時的孤極電壓等于設定電壓，通過改變設定電壓來對電機進行調速。

圖3 孤極電壓反饋控制系統框圖

由于孤極電壓為交流電，所以孤極電壓采集后必須經整流濾波電路變成直流電后送至MSP430，同時由于本驅動器采用推挽電路來驅動電機，所以孤極電壓采集時最好實現隔離，采用TL431加4N35實現電壓隔離采集，孤極電壓反饋電路如圖4所示。

圖4 孤極電壓反饋電路圖

3 實驗結果

實際制作的驅動器如圖5所示，用此驅動器驅動TRUM60型超聲波電動機。電機技術指標如下:驅動頻率 41.3 kHz，輸入電壓 12 V，輸入電流1.0 A，電機轉速161 r/min。MOSFET的柵極波形及最終的輸出電壓波形如圖6所示。由圖可見，柵極信號無毛刺，且占空比為45%。施加孤極電壓反饋電路后，電機工作運行穩定，速度變化可穩定在5%以內。測試了電機在固定頻率下的調壓調速性能，調速曲線如圖7所示，具有較好的線性。

圖5 超聲波電動機小型驅動電源外觀

圖6 實驗波形

圖7 固定頻率下的調壓調速曲線

4 結 語

本文基于MSP430單片機，設計了一種新型平臺的超聲波電動機小型驅動器，并很好地驅動了TRUM60型超聲波電動機。該驅動器增加了調壓調速功能，具有體積小、結構簡單、調試方便等優點，并留有豐富的控制接口，為后續豐富和完善驅動器功能奠定了基礎。

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