基于超聲電機驅動的電位器壽命試驗系統控制器設計

劉富品,樊 棟,張小亞

（1.中國航天標準化與產品保證研究院，北京,100071；2.西安創聯超聲技術有限責任公司，西安,710065）

基于超聲電機驅動的電位器壽命試驗系統控制器設計

劉富品1,樊 棟2,張小亞2

（1.中國航天標準化與產品保證研究院，北京,100071；2.西安創聯超聲技術有限責任公司，西安,710065）

根據GJB1865-94《非線繞精密電位器總規范》中電位器壽命的試驗要求，設計了一種基于PIC18F4431作為控制核心、以超聲電機驅動的電位器壽命試驗控制器，同時采用LM2678和MC33063作為調壓主模塊，上位機軟件為主操作界面，實現電位器壽命試驗系統參數的預設置、運行情況的實時監控，具有操作方便、加載電壓、旋轉速度精度高等優點。

電位器壽命試驗控制器；PIC18F4431；LM2678；MC33063

0 引言

現有的電位器壽命試驗系統采用硬件控制，手動電壓加載，對于加載電壓的時機、時間、幅值，以及旋轉速度均無法進行精確控制，無法滿足GJB1865-94《非線繞精密電位器總規范》中電位器壽命試驗的要求。并且每次壽命試驗只能裝夾一個電位器，如需多個產品進行試驗時，試驗周期很長，將耗費大量的時間人力，為了解決以上問題，設計并制造了可同時裝夾8只電位器進行壽命試驗的全自動電位器壽命控制系統。

1 控制器總體設計

電位器壽命試驗系統以超聲電機作為驅動源，進行精確速度的輸出。控制器采用24v直流供電，主要分為四部分：

（1）超聲電機硬件驅動部分

（2）升壓部分（輸出電壓≥20v）

（3）降壓部分（輸出電壓＜20v）

（4）RS232串行通信部分

控制器需提供給超聲電機相位差為π/2的A，B兩相正弦波，旋轉方向由A,B兩相的相位關系確定，如果A相超前B相，則電機正轉，如果B相超前A相，則電機反轉。

控制器為適應不同型號電位器的要求，設計為電機轉速可調和負載電壓可調（其調節范圍如表1）；系統運行時每5000轉換向一次；定期存儲試驗參數；設計系統掉電保護功能，重新上電后，系統按照前一次存儲的試驗參數自動重啟。

表1

控制器總體設計方案框圖如圖1所示。

圖1 控制器總體設計框圖

控制器主要工作過程如下：PC端上位機通過發送串行數據設置系統工作參數，MCU(PIC18f4431)根據設定參數啟動電機工作，系統默認電機每5000轉換相一次，并輸出設定電壓。

圖2 升壓電路設計

圖3 降壓電路設計

2 控制器硬件設計

2.1 超聲電機硬件驅動設計

通過MCU控制HEF4046進行壓頻轉換，經過分頻器分頻后產生滿足超聲電機正常工作的頻率范圍35Khz~45Khz,再通過IRS2109半橋驅動功率電路，產生相位差為π/2的A,B兩相信號。MCU可通過I/O引腳直接控制電機的啟停和轉動方向。

2.2 升壓電路設計

當要求輸出電壓大于20V時采用MC33063進行升壓，而MC33063自身驅動輸出小于40V，因此采用圖2電路設計，突破了40V的限制，可產生系統需求的100v輸出電壓。

圖中VH為電壓輸出端，其數學表達式為：VH=1.25[1+R1/ (Rmax5483+R12)]

其中R1=158kΩ，R12=560Ω，Rmax5483為max5483輸出電阻，其調節范圍為（70Ω~10070Ω）

因此，VH兩個極限值為:

VHmin=1.25*[1+158000Ω/(10070Ω+560Ω)]=19.829V

VHmax=1.25*[1+158000Ω/(70Ω+560Ω)]=314.742V

調節范圍滿足控制器升壓電路20V~100V輸出的要求。

2.3 降壓電路設計

當要求輸出電壓小于20v時采用LM2678進行降壓，電路如

圖3所示。

圖中VL為電壓輸出端，其數學表達式為：VL=1.21[1+R23/ (Rmax5483+R22)]

其中R23=10kΩ,R22=560Ω,Rmax5483為max5483輸出電阻，其調節范圍為（70Ω~10070Ω）

故VH兩個極限值為:

VHmin=1.21*[1+10000Ω/(10070Ω+560Ω)]=2.348V

VHmax=1.21*[1+10000Ω/(70Ω+560Ω)]=20.416V

調節范圍滿足控制器降壓電路2.5V~20V輸出的要求。

2.4 數字電位器芯片

控制器升壓電路和降壓電路均采用了MAXIM公司的max5483數字電位器芯片。該芯片為1024步高精度低功耗數字芯片，可用2.5vDC雙電源供電或5vDC單電源供電，溫度特性好，阻值調節范圍為70Ω~10070Ω。

控制器中采用了兩片max5483，均與MCU采用3線SPI串行接口通信，為了節省MCU的I/O資源，兩芯片的時鐘線SCK,數據線DIN,接相同的I/O引腳，而控制器工作時通過片選CS端選擇不同的芯片。max5483芯片SPI通信時序如圖4。

3 軟件設計

PIC單片機內部采用哈佛結構，具有指令執行速度快，性能穩定等特點，在控制器中由于MCU要處理光電編碼器返回的電機實時信息，故選取PIC18F4431作為主控芯片，其內部集成QEI(Quadrature Encoder Interface)正交編碼器接口，通過簡單的軟件算法即可得到電機的位置和速度信息。

3.1 控制器軟件結構

軟件部分按功能可劃分為四個模塊：系統初始化模塊，EEPROM讀寫模塊，串行通信模塊，命令執行模塊。

各模塊主要功能如下：

（1）系統初始化模塊完成系統初次上電時各硬件資源的配置

（2） EEPROM模塊完成在電機換相時將系統實時運行參數寫入MCU內部EEPROM中，并在系統重新上電時將前一次寫入的系統參數讀出。

圖4 max5483芯片SPI通信時序

（3）串行通信模塊完成接收上位機所發的命令，并在接收到遙測命令時將當前電機運行參數和加載狀況等系統參數返回給上位機，方便上位機進行實時信息監測。

（4）命令執行模塊執行系統接收到的命令，采用PID算法穩定電機轉速，實現精確的旋轉速度控制，并在系統完成工作周期時自動停止運行，告訴上位機當前工作已完成。

3.2 軟件執行流程如圖5

圖5 軟件流程圖

本控制器具有掉電保護參數功能，系統初始化完畢后首先判斷是否重新上電，如果重新上電則讀取MCU的EEPROM模塊中存儲的斷電前系統運行參數，接著斷電前的狀態繼續工作。串口接收模塊具有高級中斷優先級，能夠及時響應上位機的請求，命令類型分為：啟動電機命令，停止系統工作命令，暫停運行命令，繼續運行命令，遙測返回命令，電壓加載命令，電壓卸載命令。其中遙測返回命令需要相上位機返回當前電機運行總圈數，當前轉速，設置工作圈數，設置轉速，當前加載狀態，當前負載電壓大小等信息。

4 系統概況

電位器壽命試驗（也稱耐磨試驗）系統由控制器、上位機軟件和超聲電機驅動裝置組成。

控制器實物如圖6所示

圖6 電位器壽命試驗控制器

整體尺寸為22 cm*13.5cm* 5.5cm , 使用時需配套：PC機、上位機軟件（電位器負荷耐磨壽命系統.exe）、電機驅動裝置、DB9數據線，24V電源線。

上位機軟件（電位器負荷耐磨壽命系統.exe）采用LabVIEW編寫，LabVIEW是一門廣泛應用的編程語言和開發環境，依靠其豐富的函數和子程序庫，采用圖形化編程語言，提高了軟件開發效率，其開發的應用程序可以運行在Windows、Mac、Linux、WinCE以及多種嵌入式平臺上。圖7中，系統工作界面是與西安創聯超聲技術公司聯合開發的上位機軟件。

圖7 系統工作界面

從上圖可以看出系統電機當前已旋轉13145周，轉速為300RPM與設定轉速一致（表明控制器速度調節精度高），當前處于加載狀態，加載電壓為23.7V。當旋轉圈數“13145”增到設定圈數“10000000”則系統自動停止運行，系統本次工作完成。

5 結語

電位器壽命試驗系統控制器采用PIC18F4431、MAX5483、MC33063、LM2678等集成芯片作為硬件設計平臺，與上位機協調工作的方式，實現了電位器壽命試驗系統的全自動化精確控制，并可長時間穩定工作。克服了以往電位器試驗中人工操作的精度差、數據難于處理和記錄、反復調節等諸多問題，通過上位機軟件直觀地反映當前系統工作狀態，具有很強的實際應用價值。

[1] 林靜，林振宇，鄭福仁.LabVIEW虛擬儀器程序設計[M].北京：人民郵電出版社，2013

[2] PICmicro中檔單片機系列參考手冊.Microchip Technology INC,2004

[3] MAX5483 datasheet.Maxim Integrated Products,2007

[4] PIC18F4431 datasheet. Microchip Technology INC,2005 [5] 劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業出版社，2003

Design of test system of ultrasonic motor drive controller potentiometer life based on

Liu Fupin1,Fan Dong2,Zhang Xiaoya2
(1.Chinese aerospace standards and Product Assurance Institute,Beijing,100071; 2.Xi'an Chuanglian Ultrasonic Technology Co.,Ltd.,Xi'an,710065)

According to the requirement of test GJB1865-94 "non wire-wound precision potentiometer general specification" in life,we design a potentiometer life test device,it is driven by ultrasonic motor and controlled by PIC18F4431 as controlling core using LM2678 and MC33063 as voltage regulating main module, using host computer as operation interface,it has function for parameter pre-setup and real-time monitoring etc.it is convenient to operate,and it is high accuracy to control the output voltage and rotation speed.

potentiometer life-test controller;PIC18F4431;LM2678;MC33063

劉富品（1970-），女，碩士，多年來一直從事航天行業電子產品質量保證、檢測評價及機理分析、標準研制工作。