基于ARM的超聲波電動機嵌入式驅動控制系統

    段小匯 ，莫岳平 ，張新星

(i鹽城工學院，江蘇鹽城224003；2揚州大學，江蘇揚州225009)

    摘要：介紹了環形行波型超聲波電動機的一種新型驅動控制方案。該系統以S3C44BOX系列ARM微控制器為核心，并將bC／OS II多任務實時操作系統和#,C／GUI圖形系統移植到ARM微控制器上，成為系統軟件的上作平臺和人機交互系統的沒計T具。詳細介紹了系統硬件的組成和T作原理，同時給出了系統軟件主程序的設計思路。利用bC／GUI所提供的豐富的擰件功能，提供了簡潔、友好的人機交界面。最后利用所設計的系統對電機作閉環驅動，并進行了測試。實驗結果表明，該設計縮短了軟件開發周期，同時得到了比較精準的控制精度：

    關鍵詞：bC／OS—II；bC／GUI；ARM；超聲波電動機

    中圖分類號：TM35  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2009)12—0059—02

0引  言

    超聲波電動機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應并激發定子彈性體的超聲振動而工作的、具有全新結構和工作原理的微特電機^[1]。超聲波電動機的許多優點，特別是動作響應快，使其在精密控制領域有獨特的優越性。超聲波電動機的特殊結構和驅動原理決定了它的傳遞函數是非線性的，目前還沒有一個精確的數學模型，因而對它的驅動控制技術研究是超聲波電動機研究的重點和難點。在國外，AtsuoKmo等人實現了環形行波型超聲波電動機的柔順控制，并實現了超聲波電動機直接驅動機械臂的柔順控制^[2].Yuj，Izuno等人實現了基于模糊推理的高性能速度／位置控制策略^[3]。。T0monobu senjyu等人實現了自適直控制下的超聲波電動機自適應速度控制^[4]。FaaJ—gn提出將模糊神經元網絡技術應用于超聲菠毛蟊機位最控制，以降低因電機參數變化而造成℃壟≤嚷麥的影響^[5]。seiji A。yagi等人應用相移輸入及電壓輸入與一個模糊控制器，實現了超聲波電動機的快速精密定位控制^[6]。在國內，天津大學的夏長亮等人設計 基于單片機和PwM技術的超聲波電動機驅動控制系統^[7]。東南大學的胡敏強等人設計了基于DsP的超聲波電動機驅動控制系統^[8]。

    由于普通單片機的時鐘頻率較低，無法處理較多的任務和復雜算法的加載，所以用它作為超聲波電動機這種動作響應快、控制精度高的特種電機的控制核心無法滿足需求，而且不能運行操作系統，不方便程序的移植和修改。DsP則更偏重與算法，且價格較高，用于電機控制也不是很合適。與上述兩種相比，ARM微控制器具有高運算速度、強大的事務管理能力和低廉的價格等優點，它即可運行操作系統，又可作實時控制使用。這些優點使基于ARM的控制系統能夠輕松運行復雜的控制算法，實現更加精確的控制。這樣的嵌入式系統在外圍電路上更為精簡。本文以s3c4480x系列ARM微控制器為系統核心，詳細地介紹了系統硬件的組成和工作原理，同時給出系統軟件主程序的設計思路。

1系統硬件設計

    前人的研究表明，環形行波型超聲波電動機的驅動電源要求為兩相相位相差90。，頻率在諧振點附近的正弦交流信號。本文所設計的基于ARM的超聲波電動機嵌入式驅動控制系統正是依據這樣的電源要求的。本控制系統由主控制模塊、信號發生模塊、功率放大模塊和反饋輸出模塊等五部分組成。主控制模塊采用基于ARM7TDMI核的s3c44BOx系列ARM微控制器^[9]，其作用是接收反饋輸出模塊的反饋信號、運行算法、輸出頻率控制字。信號發生模塊由一系列-卷片組成，主要有D／A轉換器、v／F轉換器和環形計數器，它的作用是接收頻率控制字信號，經D／A轉換成相應電壓，再經v／F轉換成可編程控制的頻率信號，該信號作為環形計數器的脈沖信號，產生四路相位依次差90。的脈沖信號。功率放大模塊包括一個半橋驅動芯片IR2103和變壓器，通過耦合逆變將四路脈沖轉換成兩路相位差90。的交流方波脈沖信號。因為電機近似于容性負載，所以加上電機后，驅動信號就近似于正弦波信號。反饋輸出模塊由編碼器構成，通過計算限定時間內的脈沖個數得出速度和位置信息。系統結構圖如圖1所示.

2系統軟件設計

     本系統的軟件部分主要分為LcD顯示模塊、鍵 盤輸入模塊、觸摸屏模塊、波形發生模塊、反饋計算機i模塊和算法模塊等六個模塊：系統的工作流程如 下：系統上電運行后LcD顯示歡迎界面，等待“歡迎進入的觸摸，然后進入主控界面，主控界面最初所有