微型旋转式行波型超声波电机瞬态特性测试平台设计

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摘 要 微型旋转式行波型超声波电机是目前微型精密控制领域最常用的电机之一，由于输出转矩小、瞬态过程快，目前缺乏合适的检测设备，对其研究造成了一定的阻碍。本文介绍了一种适用于微型行波超声波电机的瞬态特性测试平台，包含驱动电源、机械平台、上位机等模块，具有结构简单、成本低等优点，可实现对多种规格微型旋转式行波型超声波电机毫秒级瞬态特性的测试。通过实验表明，测量效果良好。

【关键词】NFC 无线通信 校园应用

超声波电机（USM）是一种利用高频电信号进行驱动的新型特种电机，具有结构自由度大、无电磁干扰、低速大转矩、断电自锁、响应速度快分辨率高等优点，在微型驱动领域备受关注。其基本原理是利用压电材料的逆压电效应，在高频高压的电信号激励下产生同频率的高频振动，激发与转子或滑块接触媒介质点的椭圆轨迹运动，利用质点在椭圆运动轨迹顶部与接触媒介接触的特点，使高频振动能对接触媒介产生特定方向的摩擦力，从而驱动转子或滑块做旋转或直线运动。随着航空航天技术、微型机器人、微操作系统等微型高精密技术领域的深入发展，电机微型化的需求及性能要求也随之提升，超声波电机由于具备结构自由度大、无电池干扰、低速大转矩、断电自锁、响应速度快分辨率高等优点在微型电机领域备受关注。

瞬态特性是超声波电机的一个关键属性，可分为启动特性和关断特性，是实现超声波电机精确定位的基础，也是研究超声波电机转矩特性、输出特性的重要依据。微型超声波电机对驱动信号高且多样的要求，毫秒级的瞬态过程以及级的驱动力矩使得目前行业内符合微小电机测试要求的测试设备稀少昂贵，且绝大多数需要依赖进口，一定程度上限制了国内微型超声波电机领域的研究。

本文设计了一种包含驱动电源、机械平台、上位机的瞬态特性测试平台，可对微型旋转式行波型超声波电机（以下简称超声波电机）驱动信号的频率、相位差、占空比、匹配电感进行调节，能够便捷的实现电机与检测设备的固定、连接与对中，实现步进驱动并完成瞬态特性采集、处理与显示。

1 系统总体设计

瞬态特性的研究主要依赖于启动、关断过程中转速数据的测量，微型超声波电机的瞬态特性测量也是如此。但微型超声波电机对驱动信号要求高、转矩小，空载下瞬态过程仅为若干毫秒，且形状普遍不规则难以固定，这使得传统的电机测试系统不单要求能够检测毫秒级的瞬态过程，还需要实现微型电机的固定并其与检测设备的联轴和对中问题，同时检测设备的启动力矩要足够小，且检测系统需要具备驱动电源，可对微型超声波电机进行驱动。

本文所设计的测试系统总体结构如图1所示，整套系统由驱动电源、机械平台、上位机软件三部分组成，采用微型光电编码器作为测速装置。其中，驱动电源是系统的核心，它根据上位机的指令实现电机的步进驱动，采集光电编码器信号并将其返回上位机；上位机软件负责提供人机界面、接收来自下位机的数据并对其进行处理，得到电机的瞬态特性数据；机械平台包括直线导轨、高精度滑台、固定插件、联轴器、惯量盘等设备，负责微型超声波电机与光电编码器的固定、连接以及对中。如图1所示。

2 硬件设计

驱动电源以TI公司的TMS320F2812芯片（以下简称DSP）为核心，通过该芯片实现串口通讯、产生驱动信号、采集光电编码器信号等。驱动电源的总体结构图如图1所示，使用DSP产生四路同频率同占空比但具有一定相位差关系的PWM信号，产生的信号通过高速与门芯片74LS09提升电平与驱动能力后，经过HCPL-2630光耦隔离芯片实现信号隔离，之后通过MOSFET专用隔离芯片IR2110驱动推挽放大电路产生高频高压的交流信号，最后经过阻抗匹配对超声波电机进行驱动。光电编码器信号的采集由DSP的捕获单元实现，它能够捕捉引脚上的电平跳变事件并产生捕获中断，通过设置捕获单元的触发条件为上升、下降沿双触发可实现编码器信号的倍频。

功率放大电路会对供电电源的品质造成影响，为提升系统稳定性，需对其进行隔离。驱动电源的内部供电结构图如图2所示，采用一个具有5V，12V双电位输出的开关电源（非隔离）作为供电核心，其中12V输出用于非隔离电源区域的供电，5V输出则在经过大功率隔离电源芯片隔离、电压转换以及稳压电路处理后用于隔离电源区的供电。

机械平台包括直线导轨、XYZ高精度滑台、固定件、联轴器、惯量盘，其固定方式如图1所示，光电编码器与电机分别通过定制的固定件固定于两个滑台上，滑台用于实现电机与光电编码器相对位置的微调与对中，直线导轨则用于两个滑台水平距离的粗调。

3 软件设计

软件可分为上位机软件和下位机软件。上位机软件为测试系统提供人机界面，提供参数设置功能、控制测试系统的运行、接收、处理并存储测试数据。上位机通过串口与驱动电源通讯，使用自定义的通讯协议，每条指令有包头、内容、校验字组成，驱动电源每接收一条指令都会通过一个应答消息反馈指令的接收或执行情况，应答消息不需要返回，上位机发送一条指令后，若在规定时间内没有接收到应答消息，将会触发超时事件，指令发送将会被判定为失败。

下位机程序负责接收并处理来自上位机的指令、产生驱动信号、实现电机步进、采集光电编码器信号、返回测量结果以及协调驱动电源各模块工作等。瞬态测试的实验程序由下位机实验，其流程如图3所示，主要利用通用定时器实现电机的启动、关断状态的切换，利用PWM模块产生驱动信号控制电机启停，使用捕获单元实现光电编码器信号的采集。

下位机实现光电编码器信号的采集，若设光电编码器的分辨率为N线、通用定时器1时钟频率为f、周期寄存器值为P，两次相邻捕获中断产生时通用定时器1的计数寄存器值分别为，C1、C2两次中断期间中通用定时器1的周期中断触发次数为m，倍频系数为k，则两次中断期间电机转过的度数θ，所用时间T分别为

4 测试实验

根据被测电机的等效容抗和额定工作频率，设置好相应参数，通过上位机启动瞬态特性的测试。图4为空载和带惯量负载（无负载力矩）下分别测得的经滤波的启动与关断特性，通过实验发现，空载下电机约在1.3ms时完成启动过程，而负载状态下则需要更多时间，但两种情况下的稳态转速相近；在关断过程中，由于控制系统与驱动电源的时延问题，最开始的数毫秒时间内电机仍处于稳态状态，图中所示的两条曲线都在2ms前后开始进入关断状态，其中负载下电机所需的关断时间更长，这是由于停止过程中，电机所受阻力接近于一个恒值，而负载下的转动惯量更大，从而需要更长的时间制动。

图4中的曲线相对平滑，且电机的最高转速与瞬态时间与所测电机标称值相近，其瞬态曲线的趋势与标准的行波型旋转式超声波电机相似，由此可知，所设计的测试系统可对微型超声波电机的瞬态特性进行测量，且效果良好。

5 结语

针对微型超声波电机瞬态特性设备稀缺昂贵、瞬态过程快、测量难的问题，设计了一套微型超声波电机瞬态特性测量系统，具有结构简单、成本低等优点，可实现驱动信号的频率、相位差、占空比、匹配电感的调节，机械平台采用模块化设计，针对不同的电机与测试设备只需更换固定件即可使用，简单便捷；测试系统能对毫秒级的瞬态过程实现较精确的捕捉，便于电机性能测试。

参考文献

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作者简介

泮凯翔（1991-），男，浙江省台州市人。现为同济大学电子与信息工程学院硕士研究生在读。主要研究方向为控制工程。

作者单位

同济大学电子与信息工程学院 上海市 201804