∃电机电器技术∃ %电机电器技术& 2003年第6期∃9∃
超声波电机的位置控制
郭锦涛 (浙江工业大学智能信息系统研究所, 浙江杭州 310014)
摘 要:超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应使定子产生超声振动, 并通过定子和转子间
的磨擦来驱动转子运动的新型微特电机, 工作原理不同于传统的电磁电机。本文简单介绍了超声波电机及利用单片机实现对shinsei 公司的USR60型超声波电机的位置控制。
关键词:超声波电机; 位置控制; 单片机
Position Control of Ultrasonic Motors
GUO Jin-tao(Intelligent Information Institute, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China) Abstract:Ultrasonic motor (USM)is a ne w kind of micro-motor that converts a piezoelectrically e xcited res
onant vibration of the stator into a rotation move ment of the rotor by frictional forces, its working principle is different from general electromagnetic motor. The paper briefly revie ws the USM and positioning control based on single chip for USR60of shinsei.
Key words:ultrasonic motor; positioning control; single chip
1 引言
超声波电机(Ultrasonic Motor, 简称USM ) 是80年代初研制成功的, 一经问世就因为它特殊的工作原理及优越的工作性能引起电机界乃至声学界的极大关注。超声波电机是一种将压电振子在超声域的振动能转换成机械能的电动机[1]。传统的电机是靠电磁力旋转的, 而超声波电机则应用压电元件产生的振动驱动移动体转动。由于超声波电机特殊的工作原理, 它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能, 如低速大转矩、体积小、重量轻、功率密度大、响应速度快、微位移、不受电磁场的影响、掉电自保护、设计自由度大等[2]。
超声波电机具有很强的非线性, 其特性随驱动
条件变化而变化, 因而数学建模非常困难, 至今仍没有成熟统一的数学模型。本文利用8051单片机对shinsei 公司的USR60超声波电机进行控制, 定位精度达到0. 36 。其中实验用的USR60规格见表1。
表1 USR60规格
功率(W)速度(r/min) 驱动频率(kHz) 驱动电压(V) 额定转矩(Nm)
5100401200. 5
2 控制方法
2. 1 基本原理
在稳定性、精度等性能指标上还可以有进一步的提高。
参考文献
[1] 王宗培. 微电机原理(中册) [M]. 科学出版社, 1989. [2] 童诗白. 模拟电子技术基础[M]. 高等教育出版社. 1988. [3] TI. TMS320C2XX User ∀s Manual. 1995.
[4] 关德新, 冯文全. 单片机外围器件实用手册[M ]. 电源器件分册
[M]. 北京航空航天大学出版社. 1998.
4 实验总结
经过12小时考机实验, 该方案达到最初的设计要求, 有较好的性价比。具体的技术参数如下:
频率稳定度: 10-7
电压跌落度:! 0. 1%电压稳定度:! 0. 1%总谐波失真:! 0. 4%相位失真度:! 0. 5
如果改用DSP 和高速DAC (数模转换器) 来产生三相信号源, 用线性HVPIC 代替分立元件功放,
#
作者简介:杨麟祥(1979-) , 安徽马鞍山人, 硕士研究,
∃10∃
2003年第6期 %电机电器技术& ∃电机电器技术∃
载达到指定的目标点。程序中利用P1. 0和P1. 1引出两个控制信号来控制超声波电机的正反转, 当P1. 0高电平时三极管2导通, 超声波电机正转; 当P1. 1高电平时三极管1导通, 超声波电机反转。逻辑真值表如表2所示。
表2 逻辑真值表
A 0011
B 0101
C 0010
D 0100
因为超声波电机属于直接驱动元件, 即将负载直接刚性连接到电机轴上由电机驱动转动, 电机转动多少度, 负载也随之转动多少度。超声波电机转动一圈, 光电编码器发出500个脉冲, 也就是发出一个脉冲电机需要转动0. 72 , 根据实际要求计算出负载达到指定的位置需要转动的角度, 换算成超声波电机上的光电编码器所要发出的脉冲数, 控制超声波电机转动。光电编码器发出脉冲, 利用单片机计数光电编码器的脉冲数, 当单片机计数的脉冲数等于达到指定位置所需要的脉冲数时, 使超声波电机停止转动, 负载达到指定位置。基本原理图如图1
所示。
图1 超声波电机位置控制原理图
图2 光电编码器的输出信号波形图
2. 2 实现步骤
首先初始化步骤, 即在使用8051单片机前要对它进行编程初始化
[3]
超声波电机上的光电编码器每转一转发出500个脉冲, 也就是发出一个脉冲要转0. 72度, 精度只有0. 72度, 光电编码器的输出信号有A 、B 两个通道, 相差四分之一个周期, 将A 、B 两个通道的信号异或, 精度提高了一倍, 为0. 36 , 通道A 、B 输出信号及两信号异或后的波形图如图2所示。
, 主要是对TCON 和TMOD 编
程, 计算和装载T/C 的计数初值。首先确定T/C 的工作方法, 设T/C 的方式控制寄存器中的C/ T =1, 即选择是计数器的工作状态, M1M0=01, 选择计数器在工作方式1, 为16位的计数器, T/C 的方式控制寄存器TMOD =0x05。然后计算T/C 中的计数初值, 在计数器工作方式1下, 16位计数器的满计数值为2=65536, 根据负载运动到指定位置时需要转动的角度, 然后除以0. 36(超声波电机转动运动的精度) 换算成需要计数的脉冲个数即N, 这里采取四舍五入的原则, 使N 为整数, 则T/C 中的计数初值为(218 N) , 因此TH=TL=-N 。当T/C 在中断方式工作时, 需开CPU 中断和源中断, 也就是要编程IE 寄存器, 在这里我们使用计数器0, 设置EA=1和ET0=1, 中断允许寄存器IE=0x82。最后起动计数器, 编程TCON 中TRO=1, 即TCON=0x10。
超声波电机转动, 光电编码器发出脉冲信号, 单片机计数器开始计数, 当计数器计数的数值等于脉
N , , , 16
3 结论
本文在简单介绍超声波电机的基础上, 探讨了对超声波电机采用单片机进行位置控制, 定位精度达到0. 36 。控制方法简单易行, 具有一定的实用性, 为超声波电机展示了良好的工程应用前景。
参考文献:
[1] 陈永校. 超声波电动机[M]. 杭州:浙江大学出版社, 1994. [2] 史小军, 等. 超声波电机及应用[J]. 电子器件, 1997, 20(4) :37
-45.
[3] 马忠梅, 等. 单片机的C 语言应用程序设计[M]. 北京:北京航
空航天大学出版社, 1999.
#
作者简介:郭锦涛(1978-) , 女, 满族, 内蒙古锡林郭勒盟人, 浙江工业大学硕士研究生, 主要研究方向为超声波电机的控制技术.
∃电机电器技术∃ %电机电器技术& 2003年第6期∃9∃
超声波电机的位置控制
郭锦涛 (浙江工业大学智能信息系统研究所, 浙江杭州 310014)
摘 要:超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应使定子产生超声振动, 并通过定子和转子间
的磨擦来驱动转子运动的新型微特电机, 工作原理不同于传统的电磁电机。本文简单介绍了超声波电机及利用单片机实现对shinsei 公司的USR60型超声波电机的位置控制。
关键词:超声波电机; 位置控制; 单片机
Position Control of Ultrasonic Motors
GUO Jin-tao(Intelligent Information Institute, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China) Abstract:Ultrasonic motor (USM)is a ne w kind of micro-motor that converts a piezoelectrically e xcited res
onant vibration of the stator into a rotation move ment of the rotor by frictional forces, its working principle is different from general electromagnetic motor. The paper briefly revie ws the USM and positioning control based on single chip for USR60of shinsei.
Key words:ultrasonic motor; positioning control; single chip
1 引言
超声波电机(Ultrasonic Motor, 简称USM ) 是80年代初研制成功的, 一经问世就因为它特殊的工作原理及优越的工作性能引起电机界乃至声学界的极大关注。超声波电机是一种将压电振子在超声域的振动能转换成机械能的电动机[1]。传统的电机是靠电磁力旋转的, 而超声波电机则应用压电元件产生的振动驱动移动体转动。由于超声波电机特殊的工作原理, 它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能, 如低速大转矩、体积小、重量轻、功率密度大、响应速度快、微位移、不受电磁场的影响、掉电自保护、设计自由度大等[2]。
超声波电机具有很强的非线性, 其特性随驱动
条件变化而变化, 因而数学建模非常困难, 至今仍没有成熟统一的数学模型。本文利用8051单片机对shinsei 公司的USR60超声波电机进行控制, 定位精度达到0. 36 。其中实验用的USR60规格见表1。
表1 USR60规格
功率(W)速度(r/min) 驱动频率(kHz) 驱动电压(V) 额定转矩(Nm)
5100401200. 5
2 控制方法
2. 1 基本原理
在稳定性、精度等性能指标上还可以有进一步的提高。
参考文献
[1] 王宗培. 微电机原理(中册) [M]. 科学出版社, 1989. [2] 童诗白. 模拟电子技术基础[M]. 高等教育出版社. 1988. [3] TI. TMS320C2XX User ∀s Manual. 1995.
[4] 关德新, 冯文全. 单片机外围器件实用手册[M ]. 电源器件分册
[M]. 北京航空航天大学出版社. 1998.
4 实验总结
经过12小时考机实验, 该方案达到最初的设计要求, 有较好的性价比。具体的技术参数如下:
频率稳定度: 10-7
电压跌落度:! 0. 1%电压稳定度:! 0. 1%总谐波失真:! 0. 4%相位失真度:! 0. 5
如果改用DSP 和高速DAC (数模转换器) 来产生三相信号源, 用线性HVPIC 代替分立元件功放,
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作者简介:杨麟祥(1979-) , 安徽马鞍山人, 硕士研究,
∃10∃
2003年第6期 %电机电器技术& ∃电机电器技术∃
载达到指定的目标点。程序中利用P1. 0和P1. 1引出两个控制信号来控制超声波电机的正反转, 当P1. 0高电平时三极管2导通, 超声波电机正转; 当P1. 1高电平时三极管1导通, 超声波电机反转。逻辑真值表如表2所示。
表2 逻辑真值表
A 0011
B 0101
C 0010
D 0100
因为超声波电机属于直接驱动元件, 即将负载直接刚性连接到电机轴上由电机驱动转动, 电机转动多少度, 负载也随之转动多少度。超声波电机转动一圈, 光电编码器发出500个脉冲, 也就是发出一个脉冲电机需要转动0. 72 , 根据实际要求计算出负载达到指定的位置需要转动的角度, 换算成超声波电机上的光电编码器所要发出的脉冲数, 控制超声波电机转动。光电编码器发出脉冲, 利用单片机计数光电编码器的脉冲数, 当单片机计数的脉冲数等于达到指定位置所需要的脉冲数时, 使超声波电机停止转动, 负载达到指定位置。基本原理图如图1
所示。
图1 超声波电机位置控制原理图
图2 光电编码器的输出信号波形图
2. 2 实现步骤
首先初始化步骤, 即在使用8051单片机前要对它进行编程初始化
[3]
超声波电机上的光电编码器每转一转发出500个脉冲, 也就是发出一个脉冲要转0. 72度, 精度只有0. 72度, 光电编码器的输出信号有A 、B 两个通道, 相差四分之一个周期, 将A 、B 两个通道的信号异或, 精度提高了一倍, 为0. 36 , 通道A 、B 输出信号及两信号异或后的波形图如图2所示。
, 主要是对TCON 和TMOD 编
程, 计算和装载T/C 的计数初值。首先确定T/C 的工作方法, 设T/C 的方式控制寄存器中的C/ T =1, 即选择是计数器的工作状态, M1M0=01, 选择计数器在工作方式1, 为16位的计数器, T/C 的方式控制寄存器TMOD =0x05。然后计算T/C 中的计数初值, 在计数器工作方式1下, 16位计数器的满计数值为2=65536, 根据负载运动到指定位置时需要转动的角度, 然后除以0. 36(超声波电机转动运动的精度) 换算成需要计数的脉冲个数即N, 这里采取四舍五入的原则, 使N 为整数, 则T/C 中的计数初值为(218 N) , 因此TH=TL=-N 。当T/C 在中断方式工作时, 需开CPU 中断和源中断, 也就是要编程IE 寄存器, 在这里我们使用计数器0, 设置EA=1和ET0=1, 中断允许寄存器IE=0x82。最后起动计数器, 编程TCON 中TRO=1, 即TCON=0x10。
超声波电机转动, 光电编码器发出脉冲信号, 单片机计数器开始计数, 当计数器计数的数值等于脉
N , , , 16
3 结论
本文在简单介绍超声波电机的基础上, 探讨了对超声波电机采用单片机进行位置控制, 定位精度达到0. 36 。控制方法简单易行, 具有一定的实用性, 为超声波电机展示了良好的工程应用前景。
参考文献:
[1] 陈永校. 超声波电动机[M]. 杭州:浙江大学出版社, 1994. [2] 史小军, 等. 超声波电机及应用[J]. 电子器件, 1997, 20(4) :37
-45.
[3] 马忠梅, 等. 单片机的C 语言应用程序设计[M]. 北京:北京航
空航天大学出版社, 1999.
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作者简介:郭锦涛(1978-) , 女, 满族, 内蒙古锡林郭勒盟人, 浙江工业大学硕士研究生, 主要研究方向为超声波电机的控制技术.