專利名稱：基于嵌入式系統(tǒng)級芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的制作方法
基于嵌入式系統(tǒng)級芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器技術(shù)領(lǐng)域-本發(fā)明是一種對超聲電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的裝置，尤其是一種采用PSoC的驅(qū) 動(dòng)控制器。
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)(Ultrasonic Motor, USM)是利用功能材料構(gòu)成的一種新型 電機(jī)，它利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)，將彈性材料(壓電陶瓷，PZT) 的微觀形變通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運(yùn)動(dòng)。由于其獨(dú)特 的運(yùn)行機(jī)理，USM具有傳統(tǒng)電磁式電機(jī)不具備的優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、低速大轉(zhuǎn) 矩、不需要減速機(jī)構(gòu)、形式靈活多樣等，因而受到廣泛關(guān)注,在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、 納米技術(shù)、軍工、機(jī)器人、生物學(xué)、醫(yī)療機(jī)械、航空航天、辦公自動(dòng)化等領(lǐng)域展 現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力和優(yōu)勢。但是要驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)，必須配備專用的驅(qū)動(dòng)電源，這為超聲電機(jī)取代傳統(tǒng)的 電磁電機(jī)設(shè)置了障礙。如果驅(qū)動(dòng)器的體積過大，將更加阻礙超聲電機(jī)的推廣。為 此，在保證滿足驅(qū)動(dòng)器基本要求的前提下，應(yīng)盡可能地縮小驅(qū)動(dòng)器的體積，以便 在更多領(lǐng)域充分發(fā)揮超聲電機(jī)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展、新型控制芯 片集成度以及功能的提高，使得研制高性能、小型化的驅(qū)動(dòng)控制器成為可能，其 中嵌入式系統(tǒng)級芯片PSoC以其強(qiáng)大的功能、高的集成度正被越來越多的人所使 用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種電路簡潔、具有調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)壓功能的基于嵌入 式系統(tǒng)級芯片的超聲電機(jī)小型化的驅(qū)動(dòng)控制器。 一種基于嵌入式系統(tǒng)級芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，其特征在于，該驅(qū)動(dòng)控制器包括手動(dòng)編碼器調(diào)節(jié)電路、PSoC芯片、推挽逆變電路、升壓電路、電感匹 配電路、LED發(fā)光指示電路、孤極整流濾波電路，其中，手動(dòng)編碼器調(diào)節(jié)電路接 PSoC芯片的輸入端，PSoC芯片的輸出端分別接LED發(fā)光指示電路的輸入端、推 挽逆變電路的輸入端，推挽逆變電路的輸出端接升壓電路的輸入端，升壓電路的 輸出端接電感匹配電路的輸入端、電感匹配電路的輸出端接超聲電機(jī)，孤極整流 濾波電路的輸入信號取自超聲電機(jī)的孤極區(qū)，輸出端接PSoC芯片的輸入端。PsoC
芯片內(nèi)部配置的兩個(gè)帶死區(qū)的16位的PWM模塊能產(chǎn)生四路彼此相差^的帶死 區(qū)的方波信號，且該方波信號能直接推動(dòng)推挽逆變電路中的A相兩個(gè)開關(guān)管和B 相兩個(gè)開關(guān)管(M0SFET管)完成直流逆變。推挽逆變電路由A相兩個(gè)開關(guān)管和B 相的兩個(gè)開關(guān)管組成，升壓電路由A相升壓變壓器和B相升壓變壓器組成，電感 匹配電路由A相匹配電感和B相匹配電感組成，其中，A相兩個(gè)開關(guān)管和B相的 兩個(gè)開關(guān)管的柵極分別連接一個(gè)限流電阻的輸出端，每個(gè)限流電阻的輸入端分別 接PSoC芯片的四個(gè)P麗信號輸出口 ， A相兩個(gè)開關(guān)管和B相的兩個(gè)開關(guān)管的的 源極均接"地"，A相兩個(gè)開關(guān)管和B相兩個(gè)開關(guān)管的漏極分別接A相升壓變壓 器和B相升壓變壓器原邊的兩個(gè)端；A相升壓變壓器和B相升壓變壓器原邊的 中間端接直流電源，A相升壓變壓器和B相升壓變壓器副邊繞組同名端分別接A 相匹配電感和B相匹配電感的輸入端，A相升壓變壓器、B相升壓變壓器副邊繞 組異名端均接"地"；A相匹配電感、B相匹配電感的輸出端分別接超聲電機(jī)的兩 相輸入端。孤極整流濾波電路的輸入信號取自超聲電機(jī)的孤極區(qū)，輸出端接PSoC 芯片的被配置成用作模擬信號輸入的"P0[1]" 口。孤極整流濾波電路由濾波電 容、電位器、分壓電阻、整流二極管、整流電容、整流電阻組成，其中，濾波電 容的輸入端接超聲電機(jī)的孤極區(qū)，輸出端接電位器的輸入端；電位器的中間端接 整流二極管的陽極，電位器輸出端接分壓電阻的輸入端；分壓電阻的輸出端接"地"；整流二極管的陰極分別接整流電容、整流電阻的輸入端和PSoC芯片的"PO[l] " 口；整流電容、整流電阻的輸出端均接"地"。本發(fā)明利用PSoC芯片的PWM模塊直接產(chǎn)生四路方波信號推動(dòng)MOS管完成直 流逆變，取代了傳統(tǒng)的頻率發(fā)生、分頻分相和部分驅(qū)動(dòng)電路以及控制電路，極大 地縮小了驅(qū)動(dòng)控制器的體積，并采用孤極反饋法實(shí)現(xiàn)了對超聲電機(jī)的頻率跟蹤達(dá) 到穩(wěn)定電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，采用串聯(lián)電感匹配技術(shù)對顯容性的超聲電機(jī)進(jìn)行了電路 匹配。電路具有根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)壓功能。


圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。其中有手動(dòng)編碼器調(diào)節(jié)電路l、 PSoC芯片2、推 挽逆變電路3、升壓電路4、電感匹配電路5、 LED發(fā)光指示電路6、孤極整流濾 波電路7。圖2是本發(fā)明的電路原理圖。圖2中符號名稱 .TlA相升壓變壓器 T2 B相升壓變壓器Ll A相匹配電感L2B相匹配電感QlA相MOS管Q2B相MOS管Q2A相MOS管Q3B相MOS管C(l 8) 濾波電容Dl肖特基二極管D2 整流二極管D(3 -7)發(fā)光二極管in 手動(dòng)編碼器U2直流電源U3PSoC芯片JP1直流電源接口JP2 驅(qū)動(dòng)信號輸出口JP3PSoC程序燒錄口R15 電位器具體實(shí)施方案本發(fā)明的基于嵌入式系統(tǒng)級芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，如圖l所示，包括手動(dòng)編碼器調(diào)節(jié)電路l、 PSoC芯片2、推挽逆變電路3、升壓電路4、電感匹配 電路5、 LED發(fā)光指示電路6、孤極整流濾波電路7，其中，手動(dòng)編碼器調(diào)節(jié)電路 1接PSoC芯片2的輸入端，PSoC芯片2的輸出端分別接LED發(fā)光指示電路6的 輸入端、推挽逆變電路3的輸入端，推挽逆變電路3的輸出端接升壓電路4的輸 入端，升壓電路4的輸出端接電感匹配電路5的輸入端、電感匹配電路5的輸出 端接超聲電機(jī)M，孤極整流濾波電路7的輸入信號取自超聲電機(jī)M的孤極區(qū)，輸 出端接PSoC芯片2的輸入端。根據(jù)圖2所示的電路原理圖，敘述本發(fā)明電路具體組成，圖中U1為手動(dòng)編 碼器調(diào)節(jié)電路l， U2為直流電源，U3為PsoC芯片2，其中直流電源U2的輸出分 別連接手動(dòng)編碼調(diào)節(jié)電路1和PsoC芯片2.PSoC芯片內(nèi)部配置的兩個(gè)帶死區(qū)的16位的PWM模塊能產(chǎn)生四路彼此相差 ^的帶死區(qū)的方波信號，且該方波信號能直接推動(dòng)推挽逆變電路中的四個(gè)M0S 管Q1、 Q2、 Q3、 Q4完成直流逆變。推挽逆變電路由A相兩個(gè)開關(guān)管Ql、 Q2和B 相兩個(gè)開關(guān)管Q3、 Q4 (均為M0SFET管)組成，升壓電路由A相升壓變壓器Tl 和B相升壓變壓器T2組成，電感匹配電路由A相匹配電感Ll和B相匹配電感 L2組成，其中，四個(gè)M0SFET管Q廣Q4的柵極分別接一個(gè)限流電阻R3、 R12、 R13、 Rll的輸出端，每個(gè)限流電阻的輸入端分別接PSoC芯片的四個(gè)P觀信號輸出口， 四個(gè)M0SFET管Q廣Q4的源極均接"地"，四個(gè)M0SFET管的漏極分別接變壓器A 相升壓變壓器Tl和B相升壓變壓器T2原邊的"1、 3"兩端；A相升壓變壓器Tl 和B相升壓變壓器T2原邊的中間端"2"接直流電源，A、 B相兩個(gè)升壓變壓器
副邊繞組的同名端"4"端分別接A相、B相匹配電感L1、 L2的輸入端，A相、B 相兩個(gè)升壓變壓器副邊繞組異名端"5"端均接"地"；A相、B相兩個(gè)匹配電感 Ll、 L2的輸出端分別接超聲電機(jī)的兩相輸入端。孤極整流濾波電路的輸入信號 取自超聲電機(jī)的孤極區(qū)，輸出端接PSoC芯片U3的被配置成用作模擬信號輸入的 "P0[1]" 口。孤極整流濾波電路由濾波電容C5、電位器R15、分壓電阻R14、 整流二極管D2、整流電容C4、整流電阻R4組成，其中，濾波電容C5的輸入端 接超聲電機(jī)(M)的孤極區(qū)，輸出端接電位器的"1"端；電位器的"2"端接整 流二極管D2的陽極，其"3"端接分壓電阻R14的輸入端；分壓電阻R14的輸出 端接"地"；整流二極管D2的陰極分別接整流電容C4、整流電阻R4的輸入端和 PSoC芯片(2)的"PO[l] " 口；整流電容C4、整流電阻R4的輸出端均接"地"。 本發(fā)明控制部分的核心為PSoC芯片，它通過對P麗信號的頻率、相位和占 空比的改變來控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并采用孤極反饋法實(shí)現(xiàn)了對超聲電機(jī)的頻率 跟蹤達(dá)到穩(wěn)定電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，采用串聯(lián)電感匹配技術(shù)對顯容性的超聲電機(jī)進(jìn)行 了電路匹配。行波型超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓要求為兩相正弦波，為了達(dá)到可用多種手段控制 的目的，要求兩相相位差、幅值和頻率均可調(diào)，并且具有速度反饋電路。PSoC 芯片使用強(qiáng)大的4MIPS的8位哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器內(nèi)核(M8C CPU CORE),擁有 可編程數(shù)字系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)和豐富的系統(tǒng)資源，這使得PSoC芯片能很好地勝任 這個(gè)任務(wù)。推動(dòng)M0S管的四路PWM信號由PSoC芯片的內(nèi)部配置的兩個(gè)帶死區(qū)的P麗模 塊產(chǎn)生，PWM信號頻率的設(shè)置由P麗模塊的API函數(shù) 腦p柳l—WritePeriod(period)禾口腿pwm2一WritePeriod(period)完成，死區(qū)的 設(shè)置由P麗模塊的 API 函數(shù)UMDpwml—WriteDeadTime(deadtime)和 UMDpra2J riteDeadTime(deadtime)完成。PSoC芯片還能很方便的進(jìn)行占空比和 相位差的設(shè)置和調(diào)節(jié)，占空比的設(shè)置由P麗模塊的API函數(shù) 腿pwml一WritePulseWidth (pul sewidth)UMDpwm2一WritePulseWidth(pulsewidth) 完成，相位差的設(shè)置由UMDpwm2—WritePeriod(shift)函數(shù)完成，其中，參數(shù)shift 是相位差經(jīng)計(jì)算后的周期值，與period的值有關(guān)。通過對以上各函數(shù)參數(shù)的調(diào) 節(jié)，即可完成對P麗信號的頻率、死區(qū)、占空比、相位差的調(diào)節(jié)。函數(shù)參數(shù)的調(diào) 節(jié)由手動(dòng)編碼器完成，由編碼器動(dòng)作程序提供軟件支持。直流電源經(jīng)推挽逆變電路后生成兩路雙極性的方波信號，其送升壓電路的升 壓變壓器升壓后再經(jīng)電感匹配電路進(jìn)行串聯(lián)電感匹配后驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī)。 為了達(dá)到穩(wěn)速的目的，采用了孤極反饋法來完成對超聲電機(jī)各速度點(diǎn)的頻率 跟蹤，其具體原理是PSoC芯片實(shí)時(shí)地將超聲電機(jī)的孤極電壓經(jīng)整流濾波分壓 后得到的直流量采進(jìn)，經(jīng)其內(nèi)部的可編程增益放大'PGA模塊進(jìn)行比例調(diào)整后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADCINC轉(zhuǎn)換成一二進(jìn)制的數(shù)字量，將該量與每次進(jìn)行速度調(diào)節(jié)后的 初始的孤極電壓(基準(zhǔn)電壓)經(jīng)相同原理轉(zhuǎn)換得到的二進(jìn)制的數(shù)字量進(jìn)行比較得 出誤差量，該誤差量經(jīng)增量式PID控制程序處理后調(diào)節(jié)P麗模塊的Period值， 進(jìn)而調(diào)節(jié)PWM波的頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率。最后通過驅(qū)動(dòng)功放電路，達(dá)到 速度調(diào)節(jié)功能，直至誤差量小到設(shè)定范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種基于嵌入式系統(tǒng)級芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，其特征在于，該驅(qū)動(dòng)控制器包括手動(dòng)編碼器調(diào)節(jié)電路(1)、PSoC芯片(2)、推挽逆變電路(3)、升壓電路(4)、電感匹配電路(5)、LED發(fā)光指示電路(6)、孤極整流濾波電路(7)，其中手動(dòng)編碼器調(diào)節(jié)電路(1)接PSoC芯片(2)的輸入端，PSoC芯片(2)的輸出端分別接LED發(fā)光指示電路(6)的輸入端和推挽逆變電路(3)的輸入端，推挽逆變電路(3)的輸出端接升壓電路(4)的輸入端，升壓電路(4)的輸出端接電感匹配電路(5)的輸入端、電感匹配電路(5)的輸出端接超聲電機(jī)(M)，孤極整流濾波電路(7)的輸入信號取自超聲電機(jī)(M)的孤極區(qū)，輸出端接PSoC芯片(2)的輸入端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于嵌入式系統(tǒng)級芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，其 特征在于，所述的PSoC芯片(2)內(nèi)部配置的兩個(gè)帶死區(qū)的16位的P麗模塊能 產(chǎn)生四路彼此相差^的帶死區(qū)的方波信號，且該方波信號能直接推動(dòng)推挽逆變 電路(3)完成直流逆變。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于嵌入式系統(tǒng)級芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器， 其特征在于，所述的推挽逆變電路(3)由A相第一、第二兩個(gè)開關(guān)管(Ql、 Q2) 和B相的第三、第四兩個(gè)開關(guān)管(Q3、 Q4)組成，所述的升壓電路(4)由A相 升壓變壓器(Tl)和B相升壓變壓器(T2)組成，所述的電感匹配電路(5)由 A相匹配電感(Ll)和B相匹配電感(L2)組成，其中，A相的第一、第二兩個(gè) 開關(guān)管(Ql、 Q2)和B相的第三、第四兩個(gè)開關(guān)管(Q3、 Q4)的柵極分別接一個(gè) 限流電阻(R3、 R12、 R13、 Rll)的輸出端，四個(gè)限流電阻(R3、 R12、 R13、 Rll) 的輸入端分別接PSoC芯片(2)的四個(gè)PM1信號輸出口，第一、第二、第三、第 四的四個(gè)開關(guān)管(Q廣Q4)的源極均接"地"，第一開關(guān)管(Ql)的漏極接A相升 壓變壓器(Tl)原邊繞組同名端，第二開關(guān)管(Q2)漏極接A相升壓變壓器(Tl) 原邊繞組異名端，B相第三開關(guān)管(Q3)漏極接B相升壓變壓器(T2)原邊繞組 同名端，第四開關(guān)管(Q4)的漏極接B相升壓變壓器(T2)原邊繞組異名端；A 相升壓變壓器(Tl)和B相升壓變壓器(T2)原邊繞組的中間端均接直流電源 U2, A相升壓變壓器(Tl)副邊繞組同名端連于A相匹配電感(Ll)的輸入端， B相升壓變壓器(T2)副邊繞組同名端連于B相匹配電感(L2)輸入端，A相升 壓變壓器(Tl)副邊繞組異名端與B相升壓變壓器(T2)副邊繞組異名端相連后 接"地"，A相匹配電感(Ll)的輸出端與B相匹配電感(L2)的輸出端分別接 超聲電機(jī)(M)的兩相輸入端。
4、根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于嵌入式系統(tǒng)級芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控 制器，其特征在于，孤極整流濾波電路(7)包括濾波電容(C5)、電位器(R15)、 分壓電阻(R14)、整流二極管(D2)、整流電容(C4)、整流電阻(R4)，其中， 濾波電容(C5)的輸入端接超聲電機(jī)(M)的孤極區(qū)，濾波電容(C5)的輸出端 接電位器(R15)的輸入端；電位器(R15)的中間端接整流二極管(D2)的陽極， 電位器(R15)的輸出端接分壓電阻(R14)的輸入端；分壓電阻(R14)的輸出 端接"地"；整流二極管(D2)的陰極分別接整流電容(C4)、整流電阻(R4)的 輸入端和PSoC芯片(2)的"PO[l] " 口；整流電容(C4)和整流電阻(R4)的 輸出端均接"地"。
全文摘要
一種基于嵌入式系統(tǒng)級芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，屬超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。包括手動(dòng)編碼器調(diào)節(jié)電路(1)、PSoC芯片(2)、推挽逆變電路(3)、升壓電路(4)、電感匹配電路(5)、LED發(fā)光指示電路(6)、孤極整流濾波電路(7)，其中，手動(dòng)編碼器調(diào)節(jié)電路(1)接PSoC芯片(2)的輸入端，PSoC芯片(2)的輸出端分別接LED發(fā)光指示電路(6)的輸入端、推挽逆變電路(3)的輸入端，推挽逆變電路(3)的輸出端接升壓電路(4)的輸入端，升壓電路(4)的輸出端接電感匹配電路(5)的輸入端、電感匹配電路(5)的輸出端接超聲電機(jī)M，孤極整流濾波電路(7)的輸入信號取自超聲電機(jī)(M)的孤極區(qū)，輸出端接PSoC芯片(2)的輸入端。該驅(qū)動(dòng)控制器具有自動(dòng)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)壓功能。
文檔編號H02N2/00GK101150289SQ20071013445
公開日2008年3月26日 申請日期2007年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月23日
發(fā)明者俊 冒, 李華峰, 梁大志, 趙淳生 申請人:南京航空航天大學(xué)