任 杰，朱 华，梁大志

(南京航空航天大学，江苏南京 210016)

0 引 言

超声波电动机是一种新型电机。其基本原理是利用压电材料的逆压电效应，通过激发与转子或滑块接触处媒质质点的椭圆运动，并借助于摩擦力驱动转子或滑块做旋转或直线运动［1］。本文基于旋转型行波超声波电动机设计了一种直线位移机构，想要实现其步进运动控制。

在给定的激励下，按规定的步距运行规定步数的超声波电动机，称为步进超声波电动机。较之于电磁式步进电动机，其具有结构简单、易于微型化、无电磁干扰、环境适应性强等优点，在光学仪器、机器人、空间探索、医疗设备等方面将会有广泛的应用前景。超声波电动机实现步进运动有两种方法:一种利用特殊的结构设计来实现，往往步距角比较大;另一种利用驱动控制的方法来实现。本设计从驱动控制着手将激励锁定为脉冲激励，以充分发挥超声波电动机高分辨率的特点，获得微小的步距角，从而使超声波电动机驱动的直线位移机构获得较小的位移分辨率［2－4］。

以上功能的实现依托于一款功能强大、高集成度的微处理器。PSoC是由Cypress公司推出的一款系统可配置单片机，主要由可配置模拟模块(如放大器、ADC、DAC、滤波器和比较器)和可配置数字模块(如定时器、计数器、IRDA、PWM、SPA和 UART)组成，还包括一个快速8位微处理器、容量高达32 kB的快速擦写存储器、2 kB SRAM、2个带有32位累加器的8×8乘法器、电源和睡眠监控电路以及硬件I2C通信电路。PSoC的独特之处在于它提供了一种“模拟+数字”的混合信号可配置系统。单个PSoC器件能够集成多达100个外围部件和微控制器，节省了大量客户时间。这种“模拟+数字”的可配置PSoC使得设计灵活性最大化，它们间的协同是嵌入式系统发展过程中永恒不变的主题［6－7］。

1 超声波电动机驱动的直线位移机构

该直线位移机构的工作原理是通过与电机输出轴相连的滚珠丝杆［7］，将超声波电动机的旋转运动转化成执行元件，即顶杆的直线运动。如图1所示，该直线位移机构由行波型旋转超声波电动机、螺母导向座、平键、滚珠丝杠和顶杆组成。螺母导向座通过大螺钉固定在超声波电动机上，超声波电动机输出轴通过轴销和滚珠丝杠轴连接，螺母导向座的内壁对称地开了两个键槽，两个键槽内分别安装平键，滚珠丝杠螺母通过平键限位在螺母导向座中，顶杆通过小螺钉固定在滚珠丝杠螺母上。超声波电动机输出轴通过轴销驱动滚珠丝杠轴旋转，滚珠丝杠螺母在平键的约束下沿螺母导向座轴向做直线运动，顶杆在滚珠丝杠螺母的带动下做直线往复运动。

图1 直线位移机构结构示意图

2 控制系统工作原理

图2 超声波电动机控制系统原理框图

早期的超声波电动机控制原理比较简单，如图2所示，主要由可调频率发生器、分频分相器与功放/匹配电路三部分组成［8］。可调频率发生器生成的一路基准方波信号经由分频分相器分成在时间上互差的四路方波信号;再利用功放/匹配电路的信号放大作用将其生成为两相相位差的正弦功率信号。采用上述原理制成的电机驱动器主要包含各种集成电路元件和分立式的电阻、电容，由此也带来了一系列问题，如元器件数量众多，导致电路板体积过大，节点较多，给故障检测工作带来的困难等。

图3是以PSoC为核心构件的超声波电动机驱动电路框图。可以看出，整个驱动器由一片PSoC芯片完成各种控制，省去了外接的用于分频、移相、反相用的集成电路元件，大大减小了控制系统电路板的面积，提高了控制系统的稳定性。PWMDB16(占用两个PSoC模块，提供16位分辨率)是16位带死区的脉宽调制模块，PWMDB16模块的Period寄存器决定了模块的PWM输出频率的周期;Pulse Width寄存器决定了PWM输出频率的脉宽;Dead Time寄存器决定了P1与P2两个反相信号前/后沿之间的死区时间。PWM模块输出是CPU所带的外部接口电路，运行时并不占用CPU资源，故在电机运转的同时，PSoC还可以同时进行其他的工作，如检测、计算并实时地控制PWM发生器，提高了超声波电动机的实时响应性和运行稳定性［9］。由PWMDB16模块产生相位四路方波型号，其中PWM1发出的相位差为π的两路方波信号直接驱动MOSFET，经由推挽逆变电路转化成一路正弦信号，相应的PWM2发出的两路信号则转换成一路余弦信号，最后，两路相位差为的同频、等幅交变电压加在超声波电动机的两组压电陶瓷元件上驱动其转子转动。

该驱动器采用调频速度控制。其原理是通过调节压电陶瓷片的激振频率，来控制定子的共振状态，进而调节超声波电动机的转速［10］。图 3中ADCINC12是增量型模数转换器，通过将电位器的模拟量转换为数字量，来调节PWMDB16模块的Period变量，从而达到调频调速的目的。驱动器实物图如图4所示。

图3 超声波电动机驱动电路框图

图4 驱动器实物图

3 步进功能的软件实现

超声波电动机的步进运动是本文的核心。通过PSoC内置的UART串行通信模块，在MAX232电平转换芯片的帮助下建立与PC上位机的通信，在上位机PC端的控制界面设定超声波电动机运动的脉冲个数、脉冲组数、组间隔、转速等相关参数来控制其运行状态，图5是步进程序框图。首先停止所有中断程序，初始化与PSoC相关的CPU寄存器，接着打开所有中断，开启定时器与计数器，在接收到上位机指令进入脉冲模式后进行相应的判断。其中，控制超声波电动机步进运动的脉冲数与组间隔时间是通过设定PSoC中Counter(计数器)模块相关寄存器的值来实现的。应用WriteCompareValue()函数修改计数器比较寄存器值，其时间长度与驱动频率周期的个数相对应;WritePeriod()函数则向计数器周期寄存器写入周期值，计数器输出低电平的时间即是组间隔时间。Counter计数器将载入的Period值减到零，会产生一个TC进位信号。一方面重新加载Period值，另一方面产生PWDB16模块的中断。组数的控制是通过timer与Counter模块配合实现的。将timer的period值设定为Counter的组数整数倍，同时使能它们，启用timer的TC溢出中断模式运行，在计数器达到最终计数时进入中断，并在中断程序中关断Counter，这样就实现了脉冲运动的组数控制。

图5 步进程序框图

4 试验验证及分析

4.1 实验系统

由于超声波电动机驱动的直线机构的位移分辨率可以达到微米级甚至纳米级的定位，所以环境因素对试验结果的影响不可以忽略，故将试验地点选在恒温隔振的洁净房。测试系统选用英国Renishaw生产的XL－80激光干涉仪，其能提供4 m/s的最大测量速度和50 kHz的记录速率，即使处于最高数据记录的速率下，系统准确性仍可以达到±0.5×10－6(线性模式)和1 nm的超高分辨率，能够很好地满足测试精度要求。将激光干涉测量系统的光学镜头、补偿器和被测试机构固定于精密光学平台上，至此整个试验系统搭建完毕，如图6所示。

图6 激光干涉测试系统

4.2 实验数据

为了校验驱动器的步进性能，用示波器对不同脉冲数设定下的信号输出进行了监视。图7为12 V直流电源输入下，单组3脉冲信号经功率MOS管栅极和滤波电容输出端的电压波形，频率约40 kHz。

图7 电压波形

由图7可知，驱动器脉冲发射状态下输出波形稳定，纹波电压噪声小。MOS管的栅极电压在关断后出现震荡，这是由于功率开关管高频关断而产生的，在经过谐振电路后可以很好地被抑制，提高了电路效率和可靠性。

在实际测试时，从1个脉冲数开始对电机施加信号激励，到8个脉冲数时顶杆做出位移上的响应(其间电机有响应，但并未体现到位移上)，在10个脉冲数下步进间距基本达到稳定，这是由超声波电动机本身的机械特性与滚珠丝杆的松紧程度所决定的。图8为活门顶杆在10脉冲信号激励下的位移响应，位移分辨率达到了6 nm，响应后图像的波动反映了系统震荡(图像上响应前的微小波动系环境因素影响)，稳定所需时间约1.5 s。

图8 分辨率测试

图9 脉冲间断发射位移响应图

图9为活门顶杆在10个脉冲30组间断发射下的运动位移时间图(测试系统精度为1 nm)，30组的总行程约0.18 μm，正是单组10脉冲的30倍，由图可见，其运行过程平稳，重复定位精度较高，且不存在丢步、越步现象。由于组间隔时间设置较短(40 ms)，机构在每次作动后未达稳定状态就接收并执行下一组脉冲信号再次作动，造成了系统振荡的叠加，体现在位移时间图上就是运动全程的图形跳动，但基本的步进台阶效果已经呈现出来。

5 结 语

以旋转型超声波电动机驱动的直线位移机构为控制对象，设计了基于PSoC微处理器的步进驱动控制器，并对该机构进行了激光测距试验。试验结果表明驱动器运行稳定，控制简单、反应灵敏，机构步进运动平稳，定位精度高，达到了预期的控制效果。超声波电动机的良好步进特性也有利于进一步扩展其应用范围。

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