王海彦，史敬灼
(河南科技大学，河南洛阳471003)
摘要：驱动电压频率调节是超声波电动机转速控制的常用方法，频率调节精度决定了电机转速的控制精度。由于超声波电动机工作频率高，难于实现具有足够精度的频率调节，成为限制调频控速精度的瓶颈问题。设计了两种超声波电动机调频控制实现方法，解决了频率调节精度不高的问题。
关键词：超声波电动机；伺服控制；频率调节
引 言
超声波电动机的运行性能与其驱动控制电路直接相关[1-2]。超声波电动机常用的町控制变量有三个，即两相驱动电压幅值、驱动频率、两相驱动电压之间相位差[1]。电压幅值调节范围小，死区大，低速扭矩小。相位差调节改变定子表面质点运动的椭圆轨迹，电路复杂，会给电机的运行性能造成一定的影响。目前，以频率调节最为常用，它响应快、调速范围大、易于低速起动。
要实现超声波电动机的调频控制，就需要频率调节电路。超声波电动机工作频率高，一般为20～100kHz，本文实验用电机需要的调频范围为40～45kHz。这一调频范围远高于传统电磁电机的调频范围(一般不高于l00Hz)，而目前的电机专用控制芯片都是针对传统电机设计的，难于实现在这一高频范围内的高精度调频。而且，超声波电动机对频率变化敏感，频率的微量变化都会引起转速的较大变化。调频精度不够高，在速度闭环控制过程中会引起转速的阶梯跳变，很难满足超声波电动机高性能控制要求。
本文针对超声波电动机调频控制需求，以广泛应用的shinsei usR60型超声波电动机为对象，设计了两种超声波电动机调频控制实现方法，对这两种方法进行了细致的分析、讨论与实验验证，解决了频率调节精度不高的问题，为超声波电动机的高精度转速控制提供了基础。
1可编程振荡器LTc6903的调频实现精度分析本文所用的超声波电动机驱动控制硬件结构如图l所示，装置中采用H桥相移PwM控制方式对超声波电动机进行驱动控制，目前相移PwM信号
的给出有多种实现方法，比如内含PwM单元电机控制专用DsP芯片，通过软件编程实现。但所生成PwM信号均非相移，实现相移需占用DsP大量的计算时问，不利于DsP高性能的发挥。也可使用一些相移PwM专用控制芯片，但这些芯片大多针对传统电机设计的，对于超声波电动机所需两相H桥8路协调一致并可控的驱动电压信号很难实现。因而，本文采用一种自行设计的基于cPLD两相H桥相移PwM控制信号发生器[3]，该信号发生器设计不仅满足超声波电动机两相H桥驱动电路要求，而 且每相驱动电压幅值、频率及两相相位差均连续可调。
在设计的实验装置中，驱动电压频率的调节是通过数字控制振荡器芯片『lTc6903实现的。电路如图2所示。LTC6903的输入可控频率字由DsP给出，DSP根据控制器输出的频率给定值或频率调节指令的要求，产生对应的频率控制字，通过内置的sPI接口输出给LTc6903芯片，LTc6903在控制字作用下改变输出信号(cLK)的频率。LTc6903输出信号并没有直接作用于电机，而是连接到cPLD芯片，用作相移PwM控制信号发生器的输入时钟信号。本设计中，相移PwM控制信号发生器的位数为lO位，所以，施加在电机端的驱动电压频率是IlTc6903输出信号频率的l／l024。
 固定电机两相驱动电压相位差为90。，电压幅值为：300 V，给定转速为90 r／min、100r／min、1lO r／min、120 r／min，通过调频来实现转速控制。图3为实验测得的转速特性。
从图中可以看到闭环控制的控制作用下，转速呈阶梯状跳变，而且随着电机运行时间的增加，转速呈现出周期性阶梯跳变。转速的阶梯状跳变导致转速稳态控制误差增大。
阶梯跳变的原因是由于振荡器LTc6903在输入频率控制字的控制下，调节输出信号频率。频率控制字的最小改变量是±1，它对应产生的频率改变不是连续的，而是离散的，即跳变的；而且，频率控制字±l所对应的频率最小变化量(即调频精度)不固定，随输出信号频率的变化而变化。图4给出了不同频率下，折算到电机端的驱动电压频率最小变化量曲线。由图可见，在超声波电动机的工作频段40～45 kHz范围内，驱动电压频率最小变化量约为23～30 Hz。可以设想，LTc6903频率调节的不连续，导致电机端电压频率调节的跳变，进而导致转速控制中的阶梯现象。为验证这一想法，在转速闭环控制程序中加入一条输出特征值的语句，在转速达到给定值附近的稳态区域之后，当转速控制器使得其输出频率给定值改变，并导致LTc6903频率控制字±l时，输出一个特征值0000H，同时保存频率控制字的变化量。图5为速度给定值80 r／min的阶跃响应实验曲线。图中对应于转速发生跳变的起始时刻，DsP的控制作用使得频率控制字减1。该图清楚地表明，转速的阶梯状跳变确实是由频率调节的跳变导致的。
通过上述分析可知，转速的阶梯状跳变源自于频率调节的精度不够高。在DsP控制下，LTc6903能够给出的频率值是离散的，对应于离散的转速值，不能实现任意转速值的准确控制；频率值的最小变化量会引起电机转速相对较大的变动，使得速度控制过程中出现阶梯跳变，控制效果变差。
应指出的是，前述频率最小变化量(即调频精度)问题并不是采用LTc6903这种调频方式所独有的，而是所有数字调频方法共有的问题，只是频率最小变化量大小不同而已。表1列出了常用的几种电机控制专用DsP芯片在输出PwM频率40～45 kHz范围内，所能给出的频率最小变化量数值。本文实验装置采用DSP型号为DSP56f80l，由表1可知，与该DSP相比，采用LTc6903提高了调频精度，减小了频率最小变化量，但这在一些对转速稳定性能要求较高的场合是不希望的。
2基于压控振荡器的一种高精度调频实现通过上述分析，可以看出可编程振荡器LTc6903相对于所用DsP芯片而言，调频精度大大提高，而且电路简单，成本低，易于实现。但从电机转速特性上看，依然存在阶梯跳变问题，这在一些对电机转速性能要求较高的场合是不允许的。因此需要进一步提高频率调节精度。
图6为自行设计的一种基于cDHc4046A的调频电路，输入信号频率控制字由DsP给出，输出频率信号连接到cPLD的通用I/O引脚，作为PwM信号发生器的时钟信号。由DSP给出的
控制字经DAc芯片TLc5638转化成模拟电压量，输出的模拟电压量经运放TLc2272调整、放大后，作为VcO调频芯片cD74Hc4046A的模拟输入量，输入量的可调范围不大于4 V，使得输出频率信号满足超声波电动机对驱动频率调节的要求。由于VcO模拟输入电压量的变化是连续的，可以对频率变化量微调，所以该电路能够很好地解决由于数字化频率控制离散变化而带来的转速阶梯跳变问题，进一步提高了调频精度。
图7为转速给定值90 r/min时的超声波电动机转速变化特性。
实验中通过调整cD74Hc4046A的外接阻容参数，得到1 Hz的频率调节最小变化量。从图7可以看出，利用该电路进行调频调速，已不存在上述阶梯跳变问题，转速平滑稳定；对实验用电机而言，频率调节精度已足够高。
3结语
本文使用外加电路提高调频精度以实现具有较高精度的调频调速。调频精度与超声波电动机的转速控制性能直接相关，调频精度越高电机的转速控制性能越好。本文所设计的基于VcO的调频电路，大大提高了电机的调频控制精度，可满足各种工业化应用场合需求。但是调频精度的提高会使电路结构相对复杂。因此，可根据对电机转速控制性能不同的要求，做适当的选择。 |
