CN204615692U

CN204615692U - 基于dsp的超声波电机运行参数测定系统

Info

Publication number: CN204615692U
Application number: CN201520305129.3U
Authority: CN
Inventors: 范国鹏; 寇寇
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2025-05-12

Abstract

本实用新型公开了一种基于DSP的超声波电机运行参数测定系统。以两相超声波电机为研究对象，采用高速微处理器DSP作为核心处理器。采用上位机界面向DSP输入电机的转向、转速及转角控制指令。一方面，DSP通过正交解码单元对增量式光电编码器输出的信号进行解码，获取电机的转向、转速及转角；通过ADC模块采集温度传感器的输出信号，获取电机的表面温度。另一方面，DSP将采集到的电机运行信息通过SPI接口存入SD卡，与此同时，通过RS232串口，将运行信息传送至PC机以显示。在超声波电机过热或出现故障时，DSP自行启动系统热保护和报警功能。本系统具有运行参数自动保存且掉电不丢失、人机界面友好等特点。

Description

基于DSP的超声波电机运行参数测定系统

技术领域

本实用新型涉及一种两相超声波电机，具体是涉及基于DSP的超声波电机运行参数测定系统。

背景技术

超声波电机结构及运行原理不同于传统的电磁电机，它是利用压电材料的逆压电效应产生超声波振动，从而把电能转换为弹性体的超声波振动，并通过摩擦传动的方式转换成运动体的回转或直线运动。由于包含压电能量转换、摩擦能量传递等过程，超声波电机非线性及内部多变量耦合较为严重，因此，存在谐振频率点漂移、温度补偿等问题。研究合适的检测电路和测定方案，实时、精确地获取超声波电机的运行参数，以便更好地采用PID、自适应、滑模变结构、神经网络、模型参考、逆模型、H^∞等控制策略，从而提高超声波电机转速的稳定性与转角的跟踪性能、以及系统的可靠性。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种可实时、精确地获取电机运行中的转速、转角及表面温度、运行参数自动保存且掉电不丢失、人机界面友好、便于数字化方案实现的基于DSP的超声波电机运行参数测定系统。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：基于DSP的超声波电机运行参数测定系统。它包括：上位机PC、超声波电机、直流开关电源、温度传感器XTR105、电流环接收器RCV420、继电器保护电路、比例运算放大电路、增量式光电编码器、SD卡、散热器、报警器、串口驱动电路、光电耦合电路、高速微处理器DSP。

所述高速微处理器DSP选用的是TI公司的32bit浮点型DSP芯片TMS320F28335，包括具有模数转换功能的A/D转换器以及输出端口、通用I/O接口(GPIO)、定时器、看门狗、正交解码单元、PWM模块、通信用的CAN总线、RS232接口，异步串行总线SCI及同步串行总线SPI等。处理器运行主频为150MHz，具有强大的运算能力，能够实时地完成复杂的控制算法，为系统可靠运行提供保证。其中，内置正交解码单元配合增量式光电编码器，实现了对电机运行速度和转角的获取。另外，12位精度的A/D模数转换器，为系统精确地获取超声波电机的表面温度提供了保证；

所述直流开关电源可以提供12VDC、-12VDC、5VDC、3.3VDC四种电压。其中，±12VDC为电流环接收器RCV420提供直流稳压电源，5VDC为增量式光电编码器以及串口驱动电路提供直流稳压电源，3.3VDC为高速微处理器DSP以及光电耦合电路提供直流稳压电源；

所述温度传感器XTR105，用来采集电机表面的温度，首先转化成4～20mA的电流信号；

所述电流环接收器RCV420，用来将温度传感器XTR105输出的4～20mA电流信号转换为0～5V的电压信号；

所述5V转3.3V光电耦合电路，实现了电平间的转换，使得增量式光电编码器输出的信号能够被DSP的正交解码单元所接收。与此同时，也大大降低了前后级间的干扰；

所述串口驱动电路实现DSP与PC机间进行信号的有效传递；

所述高速微处理器DSP的串行通讯RS232接口经串口驱动电路与PC机连接，实现系统运行指令的输入和运行状态的输出。高速微处理器可以通过串行通RS232接口将电机的运行转向、转速、转角、电机的表面温度传输至PC机。同样PC机也可以通过串口驱动、串行通讯RS232接口向高速微处理器输入电机运行指令，以控制电机的各种运行状态；

所述上位机PC，它用来显示电机的运行信息，通过基于Visual Basic设计的上位机界面可实时观察电机的转向、转速、转角、电机表面温度及温度曲线；

所述存储器SD卡用来记录超声波电机运行状态的信息，包括电机运行时的转向、转速、转角、电机表面温度等，目的是：当系统出现异常时，调取数据进行故障分析。

本实用新型以两相超声波电机为控制对象，利用Visual Basic(VB)软件开发出可视化的操作界面。通过此界面设置超声波电机的相关参数(正转、反转、停止、转速、转角、电机表面温度的上限值)。设置完毕后，启动电机，上位机PC通过串口驱动电路，经串行通讯RS232接口向下位机高速微处理器DSP发送控制指令来控制电机的运行。一方面，通过增量式光电编码器获取电机转速和转角信息；另一方面，通过温度传感器获取电机的表面温度。DSP将电机上述运行状态信息通过SPI接口记录于外部存储器SD卡，与此同时，通过串行通讯RS232接口，经串口驱动电路传至PC机以显示。本实用新型可实时、精确地获取超声波电机运行中的转速、转角及表面温度，另外，还具有热保护和故障报警功能、运行参数自动保存且掉电不丢失、人机界面友好等特点。

附图说明

图1是基于DSP的超声波电机运行参数测定系统结构图

图2是温度传感器XTR105电路图

图3是电流环接收器RCV420电路图

图4是比例运算放大电路图

图5是继电器保护电路图

图65V转3.3V光电耦合电路图

图7基于Visual Basic的上位机界面图

图8是软件设计流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

1.直流开关电源的选择

本实用新型中的直流开关电源可以提供12VDC、-12VDC、5VDC、3.3VDC四种电压。其中，±12VDC为电流环接收器RCV420提供直流稳压电源，5VDC为增量式光电编码器以及串口驱动电路提供直流稳压电源，3.3VDC为高速微处理器DSP以及光电耦合电路提供直流稳压电源。

2.高速微处理器DSP的工作

由于本实用新型中，采集的超声波电机参数需要实时而精确，因此选用高速微处理器DSP作为核心控制单元。一方面，高速微处理器DSP，通过正交解码单元获取电机的转向、转速及转角；通过ADC模块采集温度传感器的输出信号，获取超声波电机的表面温度。另一方面，高速微处理器DSP将采集到的电机运行信息通过SPI接口存入SD卡，与此同时，又通过RS232串口，将运行信息实时而高效地传送至PC机以显示。另外，高速微处理器DSP在电机过热或出现故障时，启动热保护和报警处理。

3.电机表面温度的测量

本实用新型中，电机表面的温度由温度传感器XTR105进行采集，首先转化成4～20mA的电流信号，然后送至电流环接收器RCV420处理后变为0～5V的电压信号，再经比例运算放大器变换成0～3.3V的电压，最后由DSP的ADC采样模块处理。

4.电机转向、转速、及转角的控制

本实用新型中，超声波电机的转向由电机两相驱动电压的相位差决定。而DSP的EQEP模块为增强型的正交解码模块，通过EQEP模块可以得到电机的位置、转向和转速信息。

首先，正交解码单元对增量式光电编码器输出的正交脉冲信号进行方向和脉冲的解码；其次，将解码之后得到4倍频的位置脉冲信号和方向信号，送到位置计数器中进行脉冲计数，并设置编码器控制寄存器QDECCTL为正交计数模式，顺时针时进行增计数，逆时针时进行减计数；最后，通过状态寄存器QEPSTS中的正交方向标志位来确定电机的转动方向，通过程序读取该位置计数器QPOSCNT的值来获取电机实际位置信息，即转角，通过QCAP模块来计算电机的转速。转速n＝(计数脉冲数/10000)*60/计时时间。

本实用新型采用的光电编码器为5000线，即，超声波电机每转动一周，光电编码器产生5000个脉冲，经DSP的EQEP电路四倍频后送至通用定时器T4的时钟脉冲数为20000，因此，T4每计数一个脉冲电机旋转0.0180°，所以该定位方法的定位精度达到0.0180°。

5.继电器保护与报警器的启动

当超声波电机表面的温度超过设定的阈值时，DSP的GPIO口控制继电器1，启动散热器，给电机进行降温；当超声波电机运行出现故障时(如堵转)，DSP的GPIO口控制继电器2，断开USM控制开关，使电机停止工作，与此同时，启动报警器。

6.串行通讯的传输

本实用新型的高速微处理器DSP，其串行通讯RS232接口经串口驱动电路与PC机连接，实现系统运行状态的输入和输出。作为输出高速微处理器DSP可以通过串行通讯RS232接口将电机运行时的转向、转速、转角及电机表面温度等向PC机传输；同样PC机也可以通过串口驱动电路，经串行通讯RS232接口向高速微处理器DSP输入电机运行指令控制电机的各种运行状态。

7.存储器SD卡的记录

存储器SD卡记录电机运行状态信息(包括电机的转向、转速、转角及电机表面温度信息等)，设置它的目的是：当系统出现异常时调取数据进行故障分析。

本实用新型以两相超声波电机为控制对象，采用高速微处理器DSP作为核心处理器，在模块化设计思想的指导下，依次设计了：温度采集电路、电流环接收电路、比例运算放大电路、光电耦合电路、继电器保护电路、串口驱动电路、基于Visual Basic的上位机界面。

在控制策略上，通过上位机界面将电机的转向、转速及转角控制信号经串口驱动电路送入高速微处理器DSP的串行通讯RS232接口，高速微处理器DSP根据输入的指令和来自电机运行时的反馈信息，计算出所需的PWM信号，并送至USM驱动单元，驱动超声波电机，实现闭环控制。高速微处理器DSP通过正交解码单元对增量式光电编码器输出的信号进行解码，获取超声波电机的转向、转速、转角；通过ADC模块采集温度传感器的输出信号，获取电机的表面温度。另外，增设了系统的热保护和故障报警功能。

在显示方法上，基于Visual Basic的上位机界面将实时显示超声波电机的转向、转速、转角，电机表面温度及温度曲线。

在数据存储上，超声波电机运行信息经SPI通讯接口被记录到存储器SD卡，实现了运行参数的自动保存且掉电不丢失。

综上所述，本实用新型测量精度高、实时而高效，有助于提高超声波电机转速和转角的跟踪性能、以及系统的可靠性。

Claims

1.一种基于DSP的超声波电机运行参数测定系统，其特征在于：

它包括上位机(PC)、超声波电机、直流开关电源、温度传感器(XTR105)、电流环接收器(RCV420)、继电器保护电路、比例运算放大电路、增量式光电编码器、SD卡、散热器、报警器、串口驱动电路、光电耦合电路、高速微处理器(DSP)；

其中，温度传感器(XTR105)与超声波电机相连，所得温度信号接至电流环接收器(RCV420)，再经比例运算放大电路，送至DSP的ADC采样端口；增量式光电编码器与超声波电机相连，所得脉冲信号经光电耦合电路，送至DSP的正交解码单元；继电器保护电路和报警器与DSP的GPIO口相连；上位机(PC)经串口驱动电路与DSP相连。

2.根据权利要求1所述的基于DSP的超声波电机运行参数测定系统，其特征在于：

所述系统光电耦合电路，主要由光电耦合器件(TLP521)组成，将增量式光电编码器输出的5V信号转换成3.3V输入到DSP的正交解码单元。

3.根据权利要求1所述的基于DSP的超声波电机运行参数测定系统，其特征在于：

所述高速微处理器(DSP)的串行通讯(RS232)接口经串口驱动电路与上位机接口连接，实现系统运行指令的输入和运行状态的输出；

所述高速微处理器(DSP)的通用GPIO引脚：一方面，当超声波电机表面温度超过预设值时，控制继电器闭合，启动散热器工作，另一方面，当超声波电机运行出现堵转故障时，控制继电器断开，切断USM控制开关，使超声波电机停止工作，与此同时，启动报警器；

所述高速微处理器(DSP)的ADC模块，用来采集温度传感器的输出信号。

4.根据权利要求1所述的基于DSP的超声波电机运行参数测定系统，其特征在于：

所述SD卡与高速微处理器(DSP)的SPI接口相连接，实现对超声波电机运行参数的实时存储。