基于dsp的圆柱球体三自由度超声电机驱动器研究

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1、基于DSP的圆柱．球体三自由度超声电机驱动器研究孙居华，黄卫清，段志杰(南京航空航天大学，江苏南京210016)摘要：文章介绍了用TMS320LF2407A微处理器作为核心单元的超声电机驱动器的设计，通过USB接口芯片与计算机进行通讯。文章详细论述了圆柱．球体三自由度超声电机的驱动原理，并给出了驱动电路的硬件设计和软件设计。该系统具有稳定性高，数据处理力强，调节方便等特点。‘关键词：驱动；三自由度；PWM；DSP；USB0引言，圆柱．球体三自由度超声电机是一种近几年发展起来的新型多自由度超声电机，是超声电机的发展趋势之一。它具备单自由度超声电机的低速、大扭矩和无噪声，制动和

2、响应特性好，结构形式多样化和不受磁场的影响等特点。同时因其只有一个定子和转子就可以实现三个自由度的旋转运动，还具有结构简单，重量体积小，成本低的特点【l习】。适合于小(微)型化及精密装置的驱动和控制，尤其在航空航天、医疗、微机电系统、智能机器人等一些对磁场敏感或有高的定位精度要求的领域中具有广阔的应用背景【3J。本文首先介绍了圆柱．球体三自由度超声电机的结构和驱动机理，其次详细介绍了以DSP微处理器作为核心处理单元的驱动器设计，通过硬件和软件设计保证了电机稳定可靠的运行。1结构及运动机理，图1为圆柱一球体三自由度超声电机结构示意图，它由定子(圆柱体)和球体转子组成。定子结构

3、采用兰杰文振子的形式，压电陶瓷元件用来激励电机定子的振动产生所需工作模态，其中A和B两组压电陶瓷元件用来激发弯曲振动，C组压电陶瓷元件用来激发纵向振动¨。J。图1电机结构示意图当在A组和B组的压电陶瓷元件上通相位差为90。的高频交流电时，压电陶瓷的逆压电效应将在定子上激发出2个在时间和空间上相差90。的二阶弯曲模态。通过模态合成，定子顶部上的任一点运动轨迹为椭圆(简称椭圆运动)。该椭圆运动经摩擦传动使转子绕Z轴旋转。同理，当在A组(或B组)和C组的压电陶瓷元件上通相位差为90。的高频交流电时，定子将产生二阶弯曲和一阶纵向振动模态，通过模态合成，定子顶部上的任一点运动轨迹为椭

4、圆。该椭圆运动经摩擦传动使转子绕x轴(或Y轴)旋转。。2驱动器的硬件设计图2为系统的硬件结构框图。系统主要由PWM产生电路、功率驱动电路、光电编码器检测电路、通讯电路组成。．188-拳莩TM$3201，F2407A0“其“锚j、柏¨；～I，o霹县他圳啦助能。内跬什t啦十F制*蹦嚣填“-EVA取EVB，晦十横块健“曲十】6仃r匦川jL叫嚣州Ht16"的PV,'Mj、立』丘E’J怕E够0JtPWM呐√。称川阱I戤的波膨翰t忆1·』躺j【__PWM北’z叫】『J；，，刚铒纠“¨；母^3々柏授，～，．．儿‘H缩码器漩【irU蹿，32k『】1jFLASH孵7』’枰，嗤器，2kB．门-

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7、调整嚣；支持高速USB的自检工作模式和最丰JJUSB规范的返回1二作模式：集成，PLL的12MHZ的晶体振荡器；囊成了5V到3V的内置电压调整器：可通过软件控制畸USB的总线连接。21pWM电路DSP茜片内部有两个事件管理模块EVA、EVB，EVA模块产生网路方波(PWMI—PWM4)．其中PWMl、PWM2(PWM3、PWM4)为A(B)斗目的两路方波，EVB模块产生C柏两路方波(PWM7、PWM8)，通刷定时嚣EVA(EVB)选T1IT3)。TI、T3的操作模式由它的控制寄存器TICON、T3CON决定，定时器I周期值CFlPR)和定时器3周期值(T3PR)分别决定PW

8、Ml．PWM4和PWM7．PWM8的周期，比较方式控制寄存器A(ACTRA)和比较为式控制寄存器B(ACTRB)分别决定PWM引脚的比较输出方式，影子寄存器CMPRl、CMPR2、CMPR4分别独直的胡尊A柏、B心、C相的^窄i￡，死心拄制督私器A(DBTCONA)、B(DBTCONB"J以刘PWM进{J北k垃胃。EVA孽』EVB模块之⋯：4以啦过延，Ⅵ程’i戢

9、MPWM，’牛__“他，，。Ji!Jl埘咀}渗数的没。融·U以很力他的改变PWMiblvi’i；柏顺孛、【’．_’比柏l似蔗t_}

10、3璺PWMl，1PWM