基于LPC2124的超声波电机驱动控制系统

摘要：针对行波型超声波电机的驱动控制特性，为方便电机调试，实现电机的转速或位置信号检测，检测电机首次启动时的环境温度，设计了一款基于LPC2124的驱动控制系统。采用传统的推挽电路实现功率放大，串联电感进行谐振匹配。运用LPC2124内置的脉宽调制器和A／D转换器，外加微调电阻，可实时调节PWM频率，从而方便电机的调试。霍尔传感器ATS642LSH结合固定在电机转子上的环形齿轮，检测电机转速或位置。采用LM75温度传感器，检测环境温度，给电机的首次启动提供一个参考温度。试验表明，系统能顺利检测环境温度，能稳定、可靠地驱动电机工作，同时检测电机的转速或位置信号。
关键词：超声波电机；驱动控制；PWM；ARM

    超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应获得旋转力矩的新型电机，具有体积小、结构紧凑、功率密度大、无电磁干扰、低速大转矩、响应快、自锁能力强等特点。由于超声波电机在结构原理、运行特性与传统电磁原理电机有着本质的差异，决定了其驱动控制技术与传统的电机也有很大的不同，这也使得超声波电机的驱动控制技术的优劣成为影响超声波电机性能的关键因素之一。根据行波型超声波电机的结构特点和运动机理，其驱动、控制电路系统的设计应满足如下要求：1)提供两相超声频段内(一般为20～100 kHz)具体一定幅值(峰-峰值150～1 000 V)的正交的正弦驱动电压；2)超声波电机具有容性负载特性，需要设计匹配电路，以实现功率匹配、滤波和谐振升压的功能；3)应具有调频、调压、调相等方法中的一种方式或混合方式进行调速控制；4)应具有闭环控制功能，以适应随工作过程中电机温度的升高而引起的电机谐振频率的漂移。本文介绍了一款基于LPC2124的超声波电机驱动控制系统，该系统使电机的调试工作更加方便快捷，可实现较复杂算法。

1 系统电路设计
1．1 系统方案
    本驱动控制系统的电路框图如图1所示。

    系统中LPC2124产生两路相位差为90°方波，两路方波经或非门后与原来的两路方波组成四路方波。四路方波经隔离驱动、直流逆变、谐振匹配后，就得到超声波电机工作所需的正弦交流信号。微调电阻主要用于电机调试时，调节输出PWM信号的频率，这可以缩短电机调试所消耗的时间。温度传感器用于检测电机所处的环境温度，这样，在对电机首次启动要求高的情况下，系统可以根据不同环境温度给电机提供不同的启动频率，有利于提高电机启动的稳定性。电机转子上的凹或凸齿对着霍尔传感器时，霍尔传感器输出的电流大小不一样。经过电路处理后，将电流变化转换成方波信号，利用方波信号实现电机转速、位置的检测。为了方便电路系统的调试和程序的下载，系统设置了JTAG和UART口。其中JTAG主要用于调试工作，当然也可以用于程序下载。而UART口则既可以将各种数据发送到电脑主机，又可用于程序的下载和Fl-ash的擦除。
1．2 控制芯片
    超声波电机驱动控制系统的控制芯片是LPC2114，其内核为ARM7TDMI。LPC2124处理器是ARM通用32位微处理器家族的成员之一。LPC2124采用LQFP64封装，CPU操作电压1．8V，内部集成256 kB片内Flash程序存储区、16 kB静态RAM，拥有4路10位ADC、2个32位定时器、6路PWM输出、两个低功耗模式、46个GPIO及9个外部中断等。另外内置倍频锁相环(PLL)，可实现最大为60 MHz的CPU操作率。同时LPC2124支持片上调试、断点，方便系统软、硬件的调试。
1．3 关键电路
1．3．1 隔离驱动、推挽、谐振匹配电路
   隔离驱动、推挽、谐振匹配电路如图2所示。

   LPC2124产生两路相位差为90°方波PWM—S和PWM—C，两路方波分别经74HC02D或非门后形成两路相应的反相方波，与原来的两路方波组成相位依次相差90°四路方波。四路方波经MAX4427隔离驱动放大后，利用4个MOS管(IRFR320)与两个中间抽头的变压器组成的推挽电路，将四路方波信号转换成两路相位差为90°的交流方波信号。由于超声波电机工作需要的是正弦交流信号，且超声波电机属容性负载，所以用串联电感的方式进行谐振匹配。
1．3．2 温度采集模块
    由于超声波电机的谐振频率除与电机结构密切相关外，与电机工作环境也很相关，而温度是其中非常重要的一个因素。因此本系统中加入了温度传感器，来检测环境温度，用于研究温度因素对电机启动的影响。温度传感器芯片选用了LM75芯片，其中SDA和SDL与LPC2124的SDA和SDL相连，且需接上拉电阻。LM75是I2C接口的温度传感器，测量温度范围为-55～125℃，LM75已经把当前温度转换为数字值，LPC2124可以直接读出使用。LM75上电后即可正常工作，无需发送命令去设置或初始化启动。电路系统中将LM75芯片的A0～A2引脚接地，所以其从机地址为0X90，在LPC212A采用主模式I2C的数据接收模式时，LM75从机被读的地址为0X91。LM75内部有4个寄存器，这4个寄存器是通过I2C扩展地址进行访问的，它们的扩展地址为0X00、0X01、0X02、0X03。温度值的寄存器地址为0X00，这是一个16位的只读寄存器，其温度值只使用了D15～D7位表示，低7位数据无效。在读温度寄存器时，连续读出两字节数据，而不用担心LM75内部自动增加子地址。其中D15位为0时表示正温度，为1时表示负温度。D14～D7为8位温度值，最低有效位等于0．5℃。所以当温度为正时，温度T=(D14-D7)／2；当温度为负时，需要对(D14～D7)取补码，所以温度T=(-(D14-D7)+1)／2。
1. 3. 3 转速、位置检测模块
    转速和位置检测电路如图3所示。目前在超声波电机转速或位置方面的研究中，由于光电编码器精度高等原因，所以采用对多的方法就是利用光电编码器来检测转速或位置。但如果在震动剧烈等相对恶劣环境下，光电编码器一般就不可靠了，所以本文采用霍尔传感器ATS642 LSH结合安装在电机转子上的凹凸齿轮来检测转速或位置。ATS642LSH输出的是电流信号，其在电机每转过一个齿轮时，输出的电流发生变化，输出电流的典型值是高为14 mA，低为7 mA。利用一个100 Ω的电阻(图3中R12)，将电流转换为电压信号。此时，高电平为1．4 V，低电平为0．7 V，与1 V的参考电压比较，即可将电压信号转换为方波信号。将该方波信号连接到LPC2124，控制器就可以利用方波信号的频率和个数，推算出电机的转速和位置状况。

2 PWM的控制
    LPC2124的脉宽调制器建立在PWM专用的标准定时器之上，通过匹配寄存器及一些控制电路来实现PWM的输出。脉宽调制器共有7个匹配寄存器，可实现6路单边沿控制PWM输出或3路双边沿控制PWM输出，或两者的混合输出。
    由于不能同时产生四路依次相差90°的PWM信号，所以只输出两路方波信号，经或非门反相产生另外两路信号。通过PWM240UT函数(如下)设置LPC2124的PWM相关控制寄存器后，P31、P33(PWM2、PWM4)输出两路方波信号。

    利用LPC2124内置的10位逐次逼近式A／D转换器，调节微调电阻改变输入的电压值，来调节输出的PWM频率。由于是10位A／D，所以频率线性调节范围(f，f+1 023δ)，其中f为输出的最低频率，δ为调频精度。f和δ根据电机情况设定相应的值。本课题中，电机谐振频率为33．67 kHz，设置的最低频率f为30 kHz，δ为10Hz，频率调节范围为30 000～40 230 Hz。

3 试验情况
    调节微调电阻，改变电机工作频率，使电机处于所需的运行状态，图4是LPC2124输出的PWM信号，频率为33．82kHz。

    两路方波变四路后，经MOS驱动器MAX4427将方波电压幅值提升到10 V(供电电源为10 V)，再经过1：4的抽头变压器后，将四路直流方波逆变成峰峰值为80 V的交流方波，如图5所示。由图5中可以看出，交流方波有明显的毛刺，且电压幅值明显不足以驱动电机，所以在接入属容性负载的电机之前，串联一个电感来实现滤波及谐振升压，谐振匹配后的正弦交流信号如图6所示。

    霍尔传感器采集的转速、位置控制信号经电路处理后形成的方波信号如图7所示。试验用的电机转子上共有32个齿，从图7中可以看出，在500 ms内电机共转过了15个齿，所以电机的转速在56转每分左右。

4 结束语
    利用LPC2124内置的脉宽调制器产生所需的PWM信号，替代传统的分离器件，有助于驱动电路的集成化、小型化。结合传统的推挽电路实现直流逆变和功率放大，驱动超声波电机工作。设置适当的最低频率f和调频精度δ，调节微调电阻，方便电机的调试工作。温度传感器LM75检测环境温度，LPC2124根据环境温度值计算并设置电机首次启动的初始频率，可有效消除电机启动时因温度因素带来的频率漂移，提高电机启动的可靠性和稳定性。