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1、微特电机技术创新与发展论坛论文集 基于串行口通信的超声电机摩擦磨损试验系统研究 吴辛，姚志远，刘卫东 ( 南京航空航天大学精密驱动研究所，南京2 1 0 0 1 6 ) 摘 要：研制的行波型超声电机摩擦磨损试验系统模拟超声电机实际工作情况，能够用来研究 超声电机在不同运行条件下的磨损规律。控制电路主要由上位机( P C 机) 与下位机( 单片机 8 9 C 5 2 ) 两部分组成，通过串口实现数据交流从而达到对超声电机摩擦磨损系统的控制和监测。 试验结果表明，系统不仅可以实现对摩擦磨损系统的启停及定时控制，并可实现对系统的实时 监测并反馈系统的实时状态。 关键词：超声电机；摩擦磨损；串行口；8
2、 2 c 5 4 ；V i s u a lB a s i c R 鹤阻r c h 仰F r i c 6 0 n - W e 盯S y g t e mo fU l t r 鼬o n i cM o t o rB a s i co nS e r i a lC 咖l l I I i 姐6 0 n W Ux i n ，Y A OZ h i y 1 J 柚，U UW e i d o n g ( P r e c i s i o n 脯V i n gL a b o r a t o r y ，N U 从，N a n j i I l g2 1 0 0 1 6 ，C h i n a ) A b s t r a c
3、t ：T h e 衔c t i o n - w e a rs y g t e mw h i c hs t i m u l a t e sr e a l i s t i cw o r k i n gc o n d i t i o no ft r a l v e l i n g t ) r p eu l t m - s o n i cm o t o rw 鹪i n 咖d u c e di nt l ep a p e r T h ec o n t m lp a no ft h es y s t e mw h i c ha c h i e V e sc o n n l o l l i n g 粕d m
4、 o n i t o r i n go n 山e 髓c “o n - w e a rs y s t e mc o n t a i n st h eu p p e rm a c h i n ew h i c hi saP C ， 粕dt h el o w e rm a c h i n e w h i c hi ss i n g k 唱h i p ，t I l eu p p e rp a J tc o m m u n i c a t e s 而t I lt h el o w e ro n eb ys e d a lp o r t T h er e s u l to ft h e t e s ts
5、h o w e dt l l a tt l l es y s t e mn o to n l ya c h i e v e ss t a r t - s t o p 锄dt i m i n go ft h es y s t e m ，b u ta l s of i n i s h e st I l e 陀- a l - t i m em o n i t o r i n g 鲫dr e a l - t i m ec o n d i t i o nf e e d b a c k K e yW o r d s ：7 I h v e l i n g t y p eu l t r a s o n i c
6、m o t o r ；F r i c t i o n 蚰dw e 盯；S e r i a lp o n ；8 2 C 5 4 ；V i 8 u a lB 鹊i c U 引吾 我国超声电机开始走向产业化。但是超声 电机与传统电磁电机相比，有运行不稳定、开启 状态不稳定和寿命短等缺点。由于超声电机是通 过其定转子之间的摩擦界面输出传送力，实现能 量和运动的第二步传递，因此定、转子之间所的 摩擦磨损特性对超声电机的运行稳定性和运行寿 命起着关键的作用旧J 。 早在九十年代开始，国外许多学者在定转子 磨损机理和控制方面已做出许多工作。K a t o 和 A d a c h i 研究摩擦系统的动态特性发
7、现p4 ，在往复 相对运动的摩擦作用系统中，摩擦条件、预压力 和相对运动速度的影响会导致系统的不稳定运动， 接触表面的磨损导致系统的不稳定运行，而磨损 产生的碎片将使得系统更加不稳定。2 0 0 7 年，s u - 基金项目：国家自然科学基金项目( 编号：5 c r 7 4 5 0 3 9 ) ： 江苏省自然科学基金项目( 编号：B l ( 2 0 0 8 3 8 4 ) j e e kK 研制了由定转子构成的摩擦装置 1 。其中定 子有3 个对称的驱动足，由驱动足带动转子转动。 在国内，2 0 0 1 年开始曲建俊等开展摩擦磨损特性 的研究工作 6 引，设计了摩擦磨损实试验台，展开 超声减磨
8、研究。而现有的超声电机定、转子摩擦 机理的假设都是建立在定、转子接触表面光滑的 基础上，缺乏对定转子在工作过程中摩擦磨损情 况的调查，并不能真实地反映定、转子的真实接 触状态。本文根据行波型超声电机的工作原理分 析，研制了模拟行波型超声电机工作的摩擦磨损 试验平台。可通过该平台研究驱动电压、预压力 和定、转子间的转速三者对摩擦材料摩擦磨损的 综合影响规律，了解行波型超声电机在实际工作 中定、转子间的摩擦特性，为摩擦机理的研究提 供实验基础。为了方便实验操作及观察在以超声 电机使用寿命为周期的时间内摩擦材料的磨损情 况，摩擦磨损试验平台中的驱动控制部分以计算 机作为上位机、单片机为下位机通过串口
9、进行通 一2 1 5 一 基f 串行口通信的超声电机摩擦磨损试验系统研究 信，实现对该系统控制及监控 1 磨擦磨损系统原理 工作中的行波型超声电机，通过输人两路相差 9 0 。的驱动信号激励定子产生振动形成行渡。行渡 使得定子在其与转子的接触面上产生椭圆运动，如 图l 所示。定、转子在其接触面I ：的相对运动分 析表明，定、转子问既存在宏观的相对运动，又存 L M 3 3 9 的滤波后，输 8 9 c 5 2 的定时计散端口， 通过8 2 c 5 4 实现3 0s 的定时中断，读出8 9 c 5 2 的 定时计数端口中所计得的脉冲个数实现对光电 开关返回信号的监测。与此同时，计算机也可通 过串
10、口通信控制F 位机( 8 9 a 2 ) 实现卿电机驱动 的启停控制，从而完成整套系统的控制与监测功 能。行波型超声电机摩擦磨损平台如图3 。 2 系统设计 如图2 所示，本套平台分为机械和控制两大部 分。在机械构造部分中，装置主要由驱动转子步进 电机和行渡型超声电机定转子组成转子为T R u M - 6 0 超声电机的转子，在其一侧粘贴摩擦材料，通过 电磁电机驱动转子。定子为幢u M 6 0 超声电机的定 子。定子表面有齿槽，另一侧粘贴压电陶瓷元件。 压电陶瓷元件激励定子产生驻波振动，以便在定、 转子之间形成微观的空变作用。而转于通过联轴器 与步进电机相连接，通过对步进电机带动转子转动 从而
11、达到模拟定、转子间的相对运动。步进电机通 过联轴器带动电机转子做水平转动，通过连接块将 电机定子与压块垂直放置在转子上。在压块的上方 可放置不同重量的压块实现预压力的改变。 在控制方面，计算机通过串口通信控制下位 机( 8 9 c 5 2 ) 发送步进电机的启停信号及P W M 搜频 率信号。单片机8 9 c 5 2 通过8 2 c 5 4 实现对步进电 机的转速调节，步进电机在转动的过程中带动转 轴上的挡光板转动，每转动一周，挡光板经过光 电开关，光电开关输出一个脉冲，脉冲信号经过 一2 1 6 一 幽3 行渡型超声电机摩擦磨损平台 3 控制 由于在本次实验当中，要求同时使用两台摩 擦磨损系
12、统，以缩短实验周期，冈此需要同时控 制两套系统，所需的定时器和计数器较多，且对 定时时间的要求较长，这对于5 1 系列单片机来说 难度稍犬所以笔者在单片机的外部扩展两块 8 2 c 5 4 。将8 9 c 5 2 中的定时器_ 1 2 用作串行口通信 的波特率发生器，而1 D 、T l 用于计算两套摩擦磨 损系统中光电开关返回的监测脉冲信号。 8 2 c 5 4 是一种常用的可编稃定时计数芯片， 具有3 个独立的1 6 位计数器，每个计数器有6 种 工作方式，其计数速度达到1 0M H z “。 如图4 所示，8 2 c 5 4 A 的读写信号来自于单片 机8 9 c 5 2 的读写信号。其巾
13、计时器0 和计时器l 工 作方式3 ，即用于方渡输出，通过对写人8 2 c 5 4 A 的控制字选定计数器及其读写操作及工作方式， 根据对相应的计数器写入的不同数值产生不同频 率的方波从而控制步进电机的转速。由于计数 微特电机技术创新与发展论坛论文集 器0 与计数器l 的C L K 信号均来自于8 2 c 5 9 的 A L E 引脚输出的脉冲信号，本次实验中8 2 c 5 9 外 接1 2 M 的晶振，因此在不访问片外存储器时， A L E 端以六分之一，即2 M 的时钟频率固定输出正 脉冲。设输入的时钟频率为正。，所需的转速为n 转分钟，步迸电机的步距为1 8 0 ，输出频率为 厶，时间初
14、值为T ，则有： ，一呈垒贮旦一二鱼生甲一Z ；堡 ，删一1 8 。6 0 1 8 。一_ ，伽。 在本次实验中，控制步进电机所需的时间初 值由上位机( P c 机) 中的软件V i s u a lB 硝i c 计算得 出，通过串口通信发送至下位机( 单片机) 相应的 存储器当中。 图48 2 c 5 4 控制电路图 此外，8 2 C 5 4 B 是用来产生监测系统定时。由于 本系统中所需定时为3 0s ，定时时间较长，因此需要 将8 2 c 5 4 中的两个计数器串联，将8 2 c 5 4 中的计数器 2 的输出端O u 1 2 作为计数器1 的时钟信号c L l K 输 入，而8 9 C
15、5 2 的A 皿引脚输出2 M 脉冲又将分频，作 为计数器2 的时钟信号源，即时间周期输入。计数器 2 选择工作模式2 ( 比特率发生器模式) ，每3 0 脚输 出1 个脉冲，初值为尘竽：3 0 0 0 0 。计数器l 选择工 1 0 0 3 1 nr U 作模式2 ，每3 0s 输出1 个脉冲，初值衅= l0 0 0 。 3 0 当3 08 定时到达后，计数器l 输出口O u T l 输出一个 时间周期为1 岬的低电平脉冲至8 9 C 5 2 的I N l o 。 8 9 C 5 2 的I N r I D 外部中断被定义为边沿触发方式。当接 收到8 2 C 5 4 定时到达输出的负跳变脉冲时
16、触发外部中 断。在转入外部中断的处理中，读入8 9 C 5 2 定时器。 和定时器1 所计的脉冲个数并清除计数器，便可得到 每3 0s 内两套系统的监测信号睛况。将所得的计数值 与正确值进行比较后，便可知道该系统中的步进电机 是否处于正常运行状态。 4 系统串行通信 4 1 串行通信 在设计上下位机程序前，笔者确定双方通信 协议如下：单片机晶振频率为1 2M H z ；波特 率选取96 0 0b i L s ；上位机发送含8 个字节的控 制命令信号。下位机接收控制命令信号并执行相 应的子程序，且返回上位机1 个字节长度的反馈信 号；上位机发送的8 个字节的控制命令信号格式 如图5 所示。控制命令信号由1 个字节的标示开头 + 6 个字节的数据区+ 1 个字节的标示结束组成。在 数据区中存放发送给下位机的数据，各个控制信号 各自拥有不同的标示开头和表示结束码，如表l 。 f 标示开头数据区标示结柬 L。 图5 串口通信控制命令信号结构 表1 控制命令标识码( 部分) 启动双机8 l H 0
