超聲電動機是近年來出現的一種集電機、精密機械、電子技術、計算機技術和功能材料等于一體的新型高科技產品。它以無噪聲、大轉矩、響應速度快、不受磁場影響、控制性能好等特點，不僅可用于工業設備、儀器儀表、計算機外設、辦公自動化和家用電器上，而且可用于機器人、汽車、生物醫學工程、航空學工程、航空航天和軍事設備上。因此，超聲電動機被譽為新世紀的“綠色電動機”[1]。
由于超聲電動機是利用摩擦傳動的，定子和轉子之間的滑差率不能完全確定，其諧振頻率會隨著溫度而變化，因此，實際應用時需要對位置、速度和力矩進行控制。另外，超聲電動機驅動電路是在高頻、高壓條件下驅動的容性負載，故效率比較低，致使超聲電動機的工作頻率比較低。定子諧振頻率非常敏感于負載、環境條件，以及定子和轉子之間的摩擦特性。因此，驅動控制系統中必須有自動跟蹤諧振頻率變化電路，以保持驅動頻率總處于最佳的范圍[2]。本文提出基于計算機常用8254芯片的行波超聲電動機的驅動控制方法，將變頻、變相控制方案有機地結合在一起，通過計算機實時控制，實現了行波超聲電動機的精確角度控制和運行速度控制。
1 計算機控制系統組成及其原理
行波超聲電動機要求輸入二相交流電以產生定子環內部的行波運動，由于行波超聲電動機的一相等效電路為容性電路，故可將方波信號中的高次諧波濾掉而形成正弦波。因此，要求所構成的系統能夠產生二相電壓有效值相等、頻率相同的方波信號以驅動行波超聲電動機，控制系統如圖1所示。
圖1 驅動控制系統框圖
根據二路方波信號相位差與定子環表面質點運動軌跡的關系可以確定，如果二路信號相位差90°（電角度）時，電動機處于最佳工作狀態。通過改變相位差，可對位置、速度和力矩進行控制；為了防止諧振頻率隨環境溫度的變化而發生漂移，可通過對輸出方波信號頻率進行控制，達到抑制諧振頻率的漂移[3]。
方波發生器在單片機控制下，可產生兩路相同頻率、一定相位差的方波信號，作為驅動電路的輸入控制信號；同步電路根據變頻、調相的時序要求，單片機按序啟動方波發生器，使兩路信號具有一定的相位差；頻率、相位差選擇電路作為系統與操作者的人機接口；驅動部分為一推挽式逆變電源，提供超聲電動機所需的驅動電流；單片機可對反饋頻率檢測，使驅動信號頻率保持與壓電振子固有頻率一致。
2 方波發生器設計
8254是一種常用的可編程定時/計數器，具有三個獨立的16位計數器，每個計數器有六種工作方式，其計數速度可達10MHz[4]。系統硬件電路的原理如圖2所示。硬件電路是以8254產生二路方波信號及二路方波信號相位差的控制信號。計數器0和計數器1工作于方式3，即方波頻率發生器方式。以產生二路同頻率方波信號，并通過改變計數器數值實現變頻控制。計數器2工作于0方式，即終止計數中斷方式，用來控制計數器1允許與停止計數，使其滯后于計數器0數個時鐘脈沖才開始計數，以便獲得具有一定相位差的二路方波信號，且通過改變計數器2的計數值實現二路方波信號相位差的控制。工作于最小模式時，8254的WR由微機WR和IOWC通過或門產生；工作于最大模式時，8254的WR與IOWC連接。
圖2 方波發生器硬件框圖
讀寫控制邏輯接受來自CPU的讀寫信號,依此確定對三個計數器和控制寄存器中個進行工作并控制內部總線數據傳送方向，可接受的控制信號如表1所示。
表1 控制信號表
| CS | A1 | A0 | RD | WR | 功能 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 寫入計數器0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 寫入計數器1 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 寫入計數器2 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | 寫入控制寄存器 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 讀入計數器0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 讀入計數器1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 讀入計數器2 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 1 | 非法操作 |
| 0 | X | X | 1 | 1 | 無操縱 |
| 1 | X | X | X | X | 無操縱 |
設時鐘頻率為fOSC，產生方波的頻率為f0，計數器0和計數器1的計數值發分別為N0、N1，計數器2的計數值為N2，相位差為Φ，則有
N0=N1=
(1)
N2=
·N0(2)
為使計數器0、1所產生方波信號具有精確相位差，同步信號S可控制GATE0和GATE2，使計數器0、2同步計數。當計數器2完成計數時，OUT2=1控制計數器1的GATE1，使GATE1=1，計數器1則開始計數，故可以產生具有一定相位差的二路方波信號。
隨著計數器2的計數值N2改變，計算機在選中8254時開始對計數器2寫入新的計數值，同步信號S由1置為0，三個計數器均停止計數。當計數器2寫入計數值結束時，同步信號S置為1，并保持使GATE0=1、GATE2=1，計數器0、2開始同步計數，計數器2計數結束，GATE1=1，計數結束，GATE1=1，計數器1開始計數。從而完成方波信號的變相位控制。
當計數器0、1、2寫入新的計數值，計算機選中8254時，同步信號S由1置為0，計數器均停止計數，程序按順序對各計數器寫入計數值。計數器2寫入計數值結束，同步信號S置1，并保持計數器0、2開始計數，計數器2計數結束時，計數器1開始計數，完成方波信號的變頻控制。
同步信號S的特征方程為
S=(CS＋WR)·
=AIN（3）
=AON
同步信號S只是在對計數器寫入計數值完成后才由0置為1，并保持至下次對8254任一計數器重新寫入計數值。同步信號S的真值表如表2所所示。
表2 S的真值表
| CS | WR | Q1 | Q0 | S |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0→1 |
| 1 | 1 | X | X | 1 |
3 軟件設計
本系統軟件設計以CPU對I/O的讀寫操作為主，整個軟件包括啟動、變頻、變相、ADC0809數據轉換、控制轉向和中斷等程序。由于ADC0809要完成二個模擬量的數字轉換，在A/D轉換器對一個模擬量轉換結束后，才可對另一個模擬量進行模擬轉換，該時段CPU可執行其他程序或插入等待程序，以免造成CPU資源浪費。因此，采用二片A/D轉換器分別對二個模擬量轉換。程序采用C語言和匯編語言混合編寫。
設fOSC=10MHz，f0=833kHz，相位差為π/2時，系統硬件電路的時序如圖3所示。
(a)變頻控制框圖 (b)調相控制框圖
圖3 軟件控制流程
4 實驗結果與結論
當時鐘脈沖頻fOSC=10MHz，N0=500，N1=124時，系統硬件電路上機實驗，計數值寫入后產生二路頻率為20kHz，相位差為90°的方波信號。變相步長和精度為0.72°，頻率的變化范圍為0～10MHz。當f0增大時，變相步長增大，精度降低；當f0>5MHz時，電路只能輸出二路同相方波信號。實驗結果表明，本文設計的驅動控制方案具有以下特點：
（1）系統硬件電路結構簡單，數字化程度高，控制性能良好；
（2）軟件采用C語言和匯編語言混合編程，既使程序設計、簡潔明快，又使控制系統響應速度快；
（3）本系統具有較高的控制精度，將為超聲電動機的驅動控制提供一種新的方法。