行波旋转型超声波电机相移pwm信号控制器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及行波旋转型超声波电机领域，尤其设及一种行波旋转型超声波电 机相移PWM信号控制器。
【背景技术】
[0002] 行波旋转型超声波电机（Travelling-waveRotation叫trasonicMotor,TRUM) 是一种广泛应用于高端精密运动控制中的超声波电机。因TRUM需要两相互差90°的超声 波频段下的正弦电压进行驱动，驱动电路的性能直接影响电机整体的控制性能。目前，H桥 式驱动电路在输出效率、电压谐波、机端电压线性度等方面将优于应用较为广泛的推挽式 电路。但是，受电路结构的约束W及驱动电路对控制信号的要求较高，目前的H桥PWM信号 控制器存在硬件电路结构较复杂及软件资源占用量大等问题，且输出电压频率、相位不易 调节，影响TRUM控制的灵活性和效率。 【实用新型内容】
[0003] 针对现有的TRUMH桥PWM信号控制器存在的硬件电路结构较复杂、软件资源占用 量大，输出电压频率、相位不易调节，影响TRUM控制的灵活性和效率等缺点。本实用新型拟 解决的技术问题是，提供了一种逻辑结构简单，频率、相位灵活可控的TRUM相移PWM信号控 制器。
[0004] 本实用新型解决所述技术问题所采用的技术方案是，提供一种TRUM相移PWM信号 控制器，其特征在于该控制器包括CPLD、DSP和两个H桥驱动巧片；所述CPLD中包含一个N 位计数器和四个N位比较触发器，N位计数器的输出端分别与四个N位比较触发器的输入 端相连，每两个N位比较触发器的输出端均与同一个H桥驱动巧片的两个输入端相连；所述 DSP与CPLD相连，DSP均与N位计数器和四个N位比较触发器的输入端相连，所述DSP为N 位计数器提供时钟和计数最大值，为四个N位比较触发器提供输出信号初值及偏移量。
[0005] 综上，本实用新型所提出的TRUM相移PWM信号控制器具有硬件结构设计简单，逻 辑设计的复杂程度低的特点，其CPLD中的逻辑结构设计，不仅能够灵活地实现调频调相的 功能，还可W实现电机的正反转控制。相比较现有技术减少了开发成本，提高了资源利用 率。
【附图说明】
[0006] 图1是本实用新型TRUM相移PWM信号控制器一种实施例的结构示意图；
[0007] 图2是本实用新型控制器所控制的H桥驱动电路的结构示意图；
[000引 图3是本实用新型TRUM相移PWM信号控制器的CPLD1的逻辑框图；
[0009] 图4是本实用新型TRUM相移PWM信号控制器的输出信号示意图；
[0010] 图5是本实用新型TRUM相移PWM信号控制器中的计数器最大值max、偏移量Pi、 输出信号Qi之间的关系图；
[0011] 图6是TRUM正反转情况下的CPLD仿真波形图；
[0012] 图7是TRUM启动和稳定运行情况下的CPLD仿真波形图；
[001引图中，1-CPLD(复杂可编程逻辑器件）、2-DSP(数字信号处理器）、3-H桥驱动巧片、 11-N位计数器、12-N位比较触发器。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合实施例及附图对本实用新型做进一步的描述，但并不W此作为对本实用 新型权利要求保护范围的限定。
[0015] 本实用新型行波旋转型超声波电机（TRUM)相移PWM信号控制器（简称控制器，参 见图1-7)包括CPLD(复杂可编程逻辑器件）1、DSP(数字信号处理器）2和两个H桥驱动巧 片3;所述CPLD中包含一个N位计数器11和四个N位比较触发器12,N位计数器11的输 出端分别与四个N位比较触发器12的输入端相连，每两个N位比较触发器12的输出端均 与同一个H桥驱动巧片3的两个输入端相连，由两个H桥驱动巧片3转换为两个H桥驱动 电路的八路PWM控制信号；所述DSP2与CPLD1相连，DSP均与N位计数器和四个N位比 较触发器的输入端相连；所述DSP2为N位计数器11提供时钟和计数最大值max,为四个N 位比较触发器12提供输出信号初值化。及偏移量P1。此外，DSP2还提供给CPLD中的N位 计数器11和四个N位比较触发器12 -路复位信号R，控制N位计数器11和N位比较触发 器12复位。
[0016] 本实用新型的进一步特征在于所述DSP2的型号为TMS320LF2407A，CPLD1的型号 为EPM7256AETC100,H桥驱动巧片3的型号为HIP4081A。其中HIP4081A可通过自举电路 拉高上桥臂MOSFET(金氧半场效晶体管）的栅源电压，保证上桥臂的正常开关，其内部结 构还包含一组桥臂死区时间的硬件设置，同时HIP4081A具有能控制所有输入的禁止引脚 DIS(使能端），该引脚为1时即可关断H桥的所有MOSFET，实现电机停车的即时控制或者外 接其他电路组成保护电路。
[0017] 本实用新型相移PWM信号产生的过程和原理是；N位计数器11的计数时钟C化和 计数最大值max由DSP2提供，N位计数器11按时钟C化的上升沿触发计数，N位计数器计 数值cnt达到max后清零，计数值cnt分别输出给四个N位比较触发器12,四个N位比较 触发器12分别对计数值cnt与DSP提供的4个偏移量Pi(i= 0,1，. . .，3,Pi<max)进行 比较，当cnt=p府，令输出信号Q禪转，即逻辑"0"变换为逻辑"1"，逻辑"1"变换为逻 辑"0"。输出信号A的初值Qw也由DSP提供。该样，计数器每从0计到max,四路输出信 号A均将在固定的时刻执行一次翻转，于是产生四路占空比为50%的PWM信号，其相位由 偏移量P典及Q1。决定，可通过Pi的设置灵活调节，Qi的频率取决于时钟频率f。1山及计数 上限max(参见公式（1)):
[誦]尤去 …
[0019] 因此通过调节max的值可W实现调频，实现输出信号的相位频率的灵活调节。
[0020] 四路输出信号A分为两组，Q。和QiW及Q2和Q3,分别输出给两个H桥驱动巧片3， 由该H桥驱动巧片3将输出的信号化转换为每个H桥中四个MOSFET的控制信号，从而实 现对TRUMH桥驱动电路的控制。
[0021] 图1所示实施例表明，该控制器由CPLDUDSP2和两个H桥驱动巧片3实现，CPLDl 中包含一个N位计数器11和四个N位比较触发器12,DSP2与CPLD1相连，DSP2为N位计 数器11提供时钟和计数最大值max,为四个N位比较触发器12提供控制信号和所需数值 (输出信号初值Qk)及偏移量P1)，DSP2具有一个使能端DIS。CPLD中N位计数器11的输出 端和四个N位比较触发器12的输入端相连，四个N位比较触发器12输出的四路信号斯-93 分别提供给两个H桥驱动巧片3,每个由H桥驱动巧片3均有两个输入端（ALI和化I)和 一个使能端DIS及四个输出端（AHO、ALO、BLO和肌0)，通过H桥驱动巧片3将两个输入信 号转换为两对互补的PWM控制信号，即两个H桥驱动巧片可输出八路PWM控制信号（PWM1、 PWM2、…、PWM8)，该八路PWM控制信号（PWM1、PWM2、…、PWM8)对应供给图2所示的H桥 驱动电路。
[002引图2所示实施例是本实用新型所控制的TRUMH桥驱动电路，该H桥驱动电路Ml~M8八个M0SFET(金氧半场效晶体管）分两组构成两个H桥，分别对于T抓M的A、B两相，在 八路PWM控制信号PWM1、PWM2、…、PWM8的控制下，将直流电转化为互差90。的两相高频 方波驱动电压U。，再通过升压变压器Ta、町升压，利用串联匹配电感LA、Le和TRUM两相中的 容性压电陶瓷构成的LC谐振电路，实现二次升压，并使得TRUM两相输入端的电压近似正弦 波。
[002引图3所示实施例表明，为了实现图1中供给HIP4081A的4路频率可控但存在相位 差的PWM信号，本实用新型将采用一种资源占用量较少的方法来实现，其CPLD逻辑结构如 图3所示。在CPLD中设计一个N位的可控单增计数器，该N位计数器的计数时钟C化和计 数最大值max及复位信号R由DSP提供，N位计数器按时钟C化的上升沿触发计数，计数器 计数值cnt达到max后清零，计数值cnt分别输出给四个N位比较触发器12,四个N位比较 触发器12分别对计数值cnt与DSP提供的4个偏移量Pi(i= 0,1，. . .，3,Pi<max)进行 比较，当cnt=p府，令输出信号Q禪转，即逻辑"0"变换为逻辑"1"，逻辑"1"变换为逻 辑"0"。其中max可调，计数器的上限值对应PWM信号的半个周期，通过调整计数器的上限 值max,可W灵活地实现调频功能。
[0024] 图4所示实施例表明，在WA相H桥为例情况下，供给HIP4081A的两路PWM信号 Q〇、Qi与H桥上桥臂所需信号相同，即PWM1和PWM3,a为两个信号的相位差，决定了输出方 波电压U。的占空比。B相同理，其与A相互差90。。
[0025] 图5所示实施例表明了计数器最大值max、偏移量Pi、输出信号化之间的关系，计 数器每从0计满max,就会自动清零，再从0开始计数，偏移量Pi的值提前设定，且可调，当 计数器的计数值等于偏移量的值时，输出信号化翻转，且一个周期内4路信号Qi均将在固 定的计数值处执行一次翻转（如图4所示），于是产生四路占空比为50%的方波信号，其相 位由偏移量PiW及Qi的设定初值决定，因此可W方便地调节相位差。其中Qi的频率取决 于时钟频率ftikW及计数上限max;
[0026]
【主权项】
1. 一种行波旋转型超声波电机相移PWM信号控制器，其特征在于该控制器包括CPLD、 DSP和两个H桥驱动芯片；所述CPLD中包含一个N位计数器和四个N位比较触发器，N位计 数器的输出端分别与四个N位比较触发器的输入端相连，每两个N位比较触发器的输出端 均与同一个H桥驱动芯片的两个输入端相连；所述DSP与CPLD相连，DSP均与N位计数器 和四个N位比较触发器的输入端相连，所述DSP为N位计数器提供时钟和计数最大值，为四 个N位比较触发器提供输出信号初值及偏移量。
2. 根据权利要求1所述的行波旋转型超声波电机相移PWM信号控制器，其特征在于所 述DSP还提供给N位计数器和四个N位比较触发器一路复位信号。
3. 根据权利要求1或2所述的行波旋转型超声波电机相移PWM信号控制器，其特征在 于所述DSP的型号为TMS320LF2407A，CPLD的型号为EPM7256AETC100,H桥驱动芯片的型号 为HIP4081A。
【专利摘要】本实用新型涉及行波旋转型超声波电机相移PWM信号控制器，其特征在于该控制器包括CPLD、DSP和两个H桥驱动芯片；所述CPLD中包含一个N位计数器和四个N位比较触发器，N位计数器的输出端分别与四个N位比较触发器的输入端相连，每两个N位比较触发器的输出端均与同一个H桥驱动芯片的两个输入端相连；所述DSP与CPLD相连，DSP均与N位计数器和四个N位比较触发器的输入端相连，所述DSP为N位计数器提供时钟和计数最大值，为四个N位比较触发器提供输出信号初值及偏移量。
【IPC分类】H02N2-14, H02N2-16
【公开号】CN204465384
【申请号】CN201520200330
【发明人】董砚, 荆锴, 郑易, 李国庆, 石乐乐, 颜冬
【申请人】河北工业大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年4月6日