专利名称：基于脉宽调制方式的多变量超声波电机伺服控制器的制作方法
技术领域：
本发明是一种对超声波电机进行控制的装置，尤其是一种具有网络联接功能、采用脉宽调制方式及多变量控制的伺服控制器。
背景技术：
超声波电机是国外八十年代发展起来的一种新型微电机。它利用压电陶瓷逆压电效应激发的微观振动作为驱动力，通过多种振动模式的转换与耦合，将电能转变成机械能的驱动装置。超声波电机具有低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、运行无噪声、无输入自锁等卓越特性，在非连续运动领域、精密控制领域要比传统电磁电机性能优越。超声波电机在工业控制、智能机器人等具有伺服控制特性的系统内具有广阔的应用前景。
超声波电机作为控制元件，由于其内部结构的特殊性，其相关控制方法的比较复杂，同时超声波电机的工作频带窄，电机运行状态对驱动波形参数的变化比较敏感。以上要求使得控制器应具有较高的运算性能以及为保证控制策略可靠实施而应具有的控制变量的多样性和变量参数调节的精确性、精密性。现在通常采用的以微处理芯片完成控制及驱动任务的单片控制器；或者计算机作为主控核心，微控制器为辅助控制芯片，驱动波形通过移位寄存器串型方式发生的多机控制器很难同时满足上述各方面要求。尽管采用数字直接合成器的控制器可以胜任，但由于器件的成本相对较高对于产业化而言可行性不高。随着半导体工艺的发展，新型高性能微控制芯片和可编程逻辑器件的普遍应用，使得研制具有产业化前景的高性能的超声波电机控制器成为可能。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种具有网络联接功能、多控制变量的基于脉宽调制方式的超声波电机伺服控制器。
技术方案本发明的基于脉宽调制方式的多变量超声波电机伺服控制器，包括控制部分、PWM波发生部分、驱动部分，该控制器中的控制部分包括微控制器、振荡器、信号调理器、位置传感器，PWM波发生部分为PWM波发生电路，驱动部分为逆变驱动电路、通讯接口电路；其中，微控制器的输出分别接PWM波发生电路、振荡器的输入端；PWM波发生电路的输出分别接微控制器、逆变驱动电路的输入端；振荡器的输出端接PWM波发生电路的输入端；逆变电驱动路的输出端接超声波电机；位置传感器的输入信号取自超声波电机，其输出端接信号调理器输入端；信号调理器的输出端接微控制器的输入端；通讯接口电路的输出端接微控制器输入端，通讯接口电路的输入输出端接微控制器的输入输出端。
PWM波发生电路中，其输入端即脉宽控制信号锁存器U3、相位控制信号锁存器U4的输入端“A0～A7”及地址译码器U6的输入端“A0～A1”接微控制器中控制电路U1的输出端“D0～D7”及“A0～A1”；计数器U5的输入端“CLK”接振荡器U2的输出“CLKOUT”端；PWM波发生电路的输出端即计数器U5的输出端“B15”及多路开关U11～U14输出端“D”分别接微控制器中控制电路U1的输入端“CAP”和逆变驱动电路中三极管Q1～Q8的栅极。
在PWM波发生电路中，脉宽控制信号锁存器U3的输出端“Q0～Q6”接比较器U7、U8的输入端“A0～A6”；相位控制信号锁存器U4的输出端“Q0～Q7”接加法器U9的输入端“A0～A7”；计数器U5的输出端“B0～B6”接分别接比较器U7、加法器U9的输入端“B0～B6”；计数器U5的输出端“B7”分别接加法器U9的输入端“B7”及多路开关U11的输入端“C”，并通过反相器(U15)接多路开关U11的输入端“C”；加法器U9输出端“Q0～Q6”接比较器U8的输入端“B0～B6”；加法器U9输出端“Q7”接多路开关U13的输入端“C”并通反相器U16接多路开关U14的输入端“C”；比较器U7、U8的输出端“LE”分别接多路开关U11、U12及U13、U14的输入端“S0”；多路开关U11～U14的输入端“S1”接地。通讯接口电路由异步通讯接口D1和控制器区域网CAN通讯接口D2组成，异步通讯接口D1的输出接微控制器的输入端即控制电路U1的“SCI”端，控制器区域网CAN通讯接口D2的输入输出端接微控制器中控制电路U1的“CAN”端。位置传感器的输入信号取自超声波电机，其输出信号端接信号调理器电路输入端。信号调理电路的输出端接微控制器的输入端“QEP”。
有益效果本发明根据预设目标的状态变化及网络指令，通过微控制器利用脉宽调制的原理产生两相PWM波，再经逆变电路将信号放大驱动控制电机的运行。对于PWM波的产生，则通过计数器、加法器、比较器、多路开关和振荡器，采用并行发生方式，使之可根据微控制器指令调频、调相和调脉宽，达到多变量控制的目的。同时本发明采用锁相环技术，提高变量的精确性和稳定性。
本控制器方案采用了以微控制器为控制核心，其实时接受电机运行状态反馈信号(正交编码信号)和电机运行状态调整信号，它通过对由计数器、比较器与振荡器等构成的并行脉宽调制(PWM)波发生电路发送波形控制指令，脉宽调制波发生电路以此调整电机的驱动波形，使电机运行状态实时跟随预设目标的变化而变化，达到随动控制的目的。在本控制器中微控制器只作为控制核心，不参与波形的发生，这样使得控制器的运算能力得到保证；脉宽调制波发生电路采用信号并行发生方式，具有数字化的快速调频、调相和调脉宽功能，并带有使驱动信号频率稳定、精确的数字锁相环环节，该电路使控制器参变量调节具有精确性、精密性和多样性成为可能。同时该控制器具有符合工业总线标准(CAN2.0)的网络接口，可进行多控制器间及控制器与其他设备间的网络联接，为超声波电机进入复杂系统提供了条件，开拓了其应用前景。
图1是本发明的结构框图。其中有微控制器1、PWM波发生电路2、振荡器3、信号调理器4、逆变驱动电路5、通讯接口电路6、超声波电机M1、位置传感器M2。
图2是本发明的电路原理图。
具体实施方案本发明的基于脉宽调制方式的多变量超声波电机伺服控制器，包括微控制器1、PWM波发生电路2、振荡器3、信号调理器4、逆变驱动电路5、通讯接口电路6、位置传感器M2，其中微控制器1的输出分别接PWM波发生电路2、振荡器3的输入端；PWM波发生电路2的输出分别接微控制器1、逆变驱动电路5的输入端；振荡器3的输出端接PWM波发生电路2的输入端；逆变电驱动路5的输出端接超声波电机M1；位置传感器M2的输入信号取自超声波电机M1，其输出端接信号调理器4输入端；信号调理器4的输出端接微控制器1的输入端；通讯接口电路6的输出端接微控制器输入端，输入输出端接微控制器1的输入输出端。
本发明电路中的主要元件为M1 超声波电机； M2 位置传感器；T1 A相升压变压器 T2 B相升压变压器；Q1～Q4 A相全桥电路功率管 Q5～Q8 B相全桥电路功率管；U17 信号调理器U9 加法器；U11、U12A相多路开关； U13、U14 B相多路开关；U15 A相反相器； U16B相反相器；U7 A相比较器 U8 B相比较器；U3 脉宽控制信号锁存器U5 计数器；U6 2-4译码器； U4 相位控制信号锁存器；U1 控制电路；U2 振荡电路；D1 异步通讯接口；D2 控制器区域网通讯接口PWM波发生电路由集成电路U3～U16组成，其输入端即脉宽控制信号锁存器U3、相位控制信号锁存器U4的输入端“A0～A7”及地址译码器U6的输入端“A0～A1”接微控制器(1)的输出端“D0～D7”及“A0～A1”；计数器U5的输入端“CLK”接振荡器输出端“CLKOUT”。PWM波发生电路的输出端即计数器U5的输出端“B15”及多路开关U11～U14输出端“D”分别接微控制器的输入端“CAP”及逆变驱动电路中功率管Q1～Q8的栅极。微控制器的输出端“SPI”接振荡器的输入端“SPI”。逆变驱动电路由功率管Q1～Q8及变压器T1、T2组成。其中功率管Q1～Q4和变压器T1组成超声波电机一相逆变驱动回路，功率管Q5～Q8和变压器T2组成超声波电机另一相逆变驱动回路。逆变驱动电路的功率管Q1与Q4的栅极相接、功率管Q2与Q3的栅极相接、功率管Q1与Q4的栅极相接、功率管Q2与Q3的栅极相接输出端构成了该电路的四个输入端；变压器T1的原边一端与功率管Q1的发射极、功率管Q2的集电极相接另一端与功率管Q3的发射极、功率管Q4的集电极相接，附边为逆变驱动电路的一路输出接超声波电机；变压器T2的原边一端与功率管Q5的发射极、功率管Q6的集电极相接另一端与功率管Q7的发射极、功率管Q8的集电极相接，附边为逆变驱动电路的另一路输出接超声波电机。通讯接口电路由异步通讯接口D1和控制器区域网(CAN)通讯接口D2组成，异步通讯接口D1的输出接微控制器的输入端“SCI”，控制器区域网通讯接口D2的输入输出接微控制器的输入输出端“CAN”。位置传感器的输入信号取自超声波电机，其输出信号端接信号调理器电路输入端。信号调理电路的输出端接微控制器的输入端“QEP”。
先请参见附图1，本控制器方案采用了以微控制器为控制核心，其实时接受电机运行状态反馈信号(正交编码信号)和通过异步通讯接口接受电机运行状态调整信号，它通过对由计数器、比较器与振荡器等构成的并行脉宽调制波发生电路发送波形控制指令，脉宽调制波发生电路以此调整电机的驱动波形，使电机运行状态实时跟随预设目标的变化而变化，达到随动控制的目的。在本控制器中微控制器只作为控制核心，不参与波形的发生，这样使得控制器的运算能力得到保证；脉宽调制波发生电路采用信号并行发生方式，具有数字化的快速调频、调相和调脉宽功能，并带有使驱动信号频率稳定、精确的数字锁相环环节，该电路使控制器参变量调节具有精确性、精密性和多样性成为可能。同时该控制器具有符合工业总线标准(CAN2.0)的网络接口，可进行多控制器间及控制器与其他设备间的网络联接，为超声波电机进入复杂系统提供了条件，开拓了其应用前景。
附图2所示对超声波电机伺服控制的要求是能根据预设目标的状态变化产生频率、相位差和脉宽可调的二相四路PWM信号驱动电机，并具有位置反馈电路。为了控制器运算能力得到保证，微控制器的只作为控制核心。工作时，微控制器通过通讯接口D1接受预设目标的状态变化量，通过通讯接口D2接受网络控制指令，及利用信号调理电路接受通过位置传感器反馈的电机运行状态量，以此利用控制算法计算产生相应的驱动波形调整信号，调整电机运行状态，微控制器不直接参与波形的发生。
PWM波的波形由PWM波发生电路根据接受的控制信号产生，该波形发生电路，由2-4译码器U6、8位相位控制信号锁存器U4、脉宽控制信号锁存器U3、16位计数器U5、8位加法器U9、7位A相比较器U7、7位B相比较器U8、A相反相器U15、B相反相器U16、A相多路开关U11和U12，B相多路开关U13和U14等器件组成。它们被集成在一片CPLD内。与微控制器的通讯接口电路由2～4译码器U6和8位信号锁存器U3、U4组成，微控制器通过其IO空间完成与CPLD通讯。电路采用并行通讯方式。8位锁存器U3、U4输入信号共同接到微控制器IO空间的数据总线，2～4译码器U6作为地址译码器，输入接I/O空间的地址总线，输出用来分别选通U4、U5，以区分调压控制信号和调相控制信号。其中U4脉宽锁存器输出接A相比较器U7和B相比较器U8的A端，U3为B相相位控制锁存器输出接B相加法器U9。电路以A相作为相位基准通过加法器U9确定B相。电路采用不对称PWM波方式，锯齿波由计数器U5发生，U5的计数时钟频率由外部的振荡器提供。U5的低8位从0到255周而复始的计数，其数值与时间的函数图形为一条锯齿波。当U5的低7位输出接到A相比较器U7的B端时，U5的第8位接到A相多路开关U11的选通端并通过反相器U15接到A相多路开关U12的选通端。由于U7为7位比较器，在U5的一个8位计数周期内将出现均匀的2次PWM等脉宽信号，它们的区别在于这时U5第8位的数值不同，当把第8位接至选通端作选通信号时，在U11、U12的输出端生成两路互补和带死区的PWM波。PWM波的脉宽将由U7的另一个比较端A端决定，A端由微控制器U1通过脉宽控制信号锁存器U3置数，这样微控制器就可以控制PWM波的脉宽即占空比。
在B相波形发生电路中，计数器U5的数值并不直接接到B相比较器U8，而是通过B相加法器U9与B相相位控制锁存器U4的值相加，这样在U9的输出端产生的B相的锯齿波与A相的锯齿波就形成相位差。U9的低7位接比较器U8的B端，加法器U9的第8位将作为B相多路开关U13、U14选通端的选通信号，脉宽控制信号锁存器U3接比较器U8的A端，该部分工作原理同A相。这样就生成了与A相有一定相位差的另一路PWM波。微控制器通过改变B相相位控制锁存器U4的值达到调整相位的目的。
PWM波的频率由计数器的输入时钟信号的频率确定。微控制器U1通过SPI口控制产生该时钟信号的振荡器U2。同时计数器U5的第16位计数端与微控制器的定时器外部时钟输入端“CAP”相接。这样就构成了带锁相环功能的时钟发生电路。当微控制器发出调频信号后，其“CAP”端将接受到频率为PWM波8分频的时钟信号，微控制器将该时钟信号与其内部高精度的系统时钟比较，不断调整振荡器U2的输出时钟信号的频率，保证PWM波的频率的精度和稳定性。
逆变驱动电路采用全桥原理，功率管Q1～Q4组成A相全桥，当功率管Q1、Q4为一组桥臂，功率管Q2、Q3为另一组桥臂。当U11的输出为高电平时功率管Q1、Q4导通，功率管Q2、Q3关断；当U12的输出为高电平时功率管Q2、Q3导通，功率管Q1、Q4关断，这样在变压器T1原边的两端产生类正弦波的功率放大信号，该信号通过T1的附边驱动超声波电机的一相。功率管Q5～Q8组成B相全桥，其工作原理同A相，信号通过变压器T2的附边驱动超声波电机的另一相。
权利要求
1.一种基于脉宽调制方式的多变量超声波电机伺服控制器，包括控制部分、PWM波发生部分、驱动部分，其特征在于该控制器中的控制部分包括微控制器(1)、振荡器(3)、信号调理器(4)、位置传感器(M2)，PWM波发生部分为PWM波发生电路(2)，驱动部分为逆变驱动电路(5)、通讯接口电路(6)；其中，微控制器(1)的输出分别接PWM波发生电路(2)、振荡器(3)的输入端；PWM波发生电路(2)的输出分别接微控制器(1)、逆变驱动电路(5)的输入端；振荡器(3)的输出端接PWM波发生电路(2)的输入端；逆变电驱动路(5)的输出端接超声波电机(M1)；位置传感器(M2)的输入信号取自超声波电机(M1)，其输出端接信号调理器(4)输入端；信号调理器(4)的输出端接微控制器(1)的输入端；通讯接口电路(6)的输出端接微控制器(1)输入端，通讯接口电路(6)的输入输出端接微控制器(1)的输入输出端。
2.根据权利要求1所述的基于脉宽调制方式的多变量超声波电机伺服控制器，其特征在于PWM波发生电路(2)中，其输入端即脉宽控制信号锁存器(U3)、相位控制信号锁存器(U4)的输入端“A0～A7”及地址译码器(U6)的输入端“A0～A1”接微控制器(1)中控制电路(U1)的输出端“D0～D7”及“A0～A1”；计数器(U5)的输入端“CLK”接振荡器(U2)的输出“CLKOUT”端；PWM波发生电路(2)的输出端即计数器(U5)的输出端“B15”及多路开关(U11～U14)输出端“D”分别接微控制器(1)中控制电路(U1)的输入端“CAP”和逆变驱动电路(5)中三极管(Q1～Q8)的栅极。
3.根据权利要求1或2所述所述的基于脉宽调制方式的多变量超声波电机伺服控制器，其特征在于在PWM波发生电路(2)中，脉宽控制信号锁存器(U3)的输出端“Q0～Q6”接比较器(U7、U8)的输入端“A0～A6”；相位控制信号锁存器(U4)的输出端“Q0～Q7”接加法器(U9)的输入端“A0～A7”；计数器(U5)的输出端“B0～B6”接分别接比较器(U7)、加法器(U9)的输入端“B0～B6”；计数器(U5)的输出端“B7”分别接加法器(U9)的输入端“B7”及多路开关(U11)的输入端“C”，并通过反相器(U15)接多路开关(U11)的输入端“C”；加法器(U9)输出端“Q0～Q6”接比较器(U8)的输入端“B0～B6”；加法器(U9)输出端“Q7”接多路开关(U13)的输入端“C”并通反相器(U16)接多路开关(U14)的输入端“C”；比较器(U7、U8)的输出端“LE”分别接多路开关(U11、U12及U13、U14)的输入端“S0”；多路开关U11～U14的输入端“S1”接地。
4.根据权利要求1所述的基于脉宽调制方式的多变量超声波电机伺服控制器，其特征在于通讯接口电路(6)由异步通讯接口(D1)和控制器区域网CAN通讯接口(D2)组成，异步通讯接口(D1)的输出接微控制器(1)的输入端即控制电路(U1)的“SCI”端，控制器区域网CAN通讯接口(D2)的输入输出端接微控制器(1)中控制电路(U1)的“CAN”端。
全文摘要
脉宽调制方式的多变量超声波电机伺服控制器是一种对超声波电机进行控制的装置，其中微控制器1的输出分别接PWM波发生电路2、振荡器3的输入端；PWM波发生电路2的输出分别接微控制器1、逆变驱动电路5的输入端；振荡器3的输出端接PWM波发生电路2的输入端；逆变电驱动路5的输出端接超声波电机M1；位置传感器M2的输入信号取自超声波电机M1，其输出端接信号调理器4输入端；信号调理器4的输出端接微控制器1的输入端；通讯接口电路6的输出端接微控制器1输入端，通讯接口电路6的输入输出端接微控制器1的输入输出端。该控制器具有符合工业总线标准(CAN2.0)的网络接口，可进行多控制器间及控制器与其他设备间的网络联接，为超声波电机进入复杂系统提供了条件。
文档编号H02N2/14GK1527473SQ0315828
公开日2004年9月8日 申请日期2003年9月22日 优先权日2003年9月22日
发明者胡敏强, 王心坚, 金龙, 顾菊萍, 何小虎, 徐志科, 秦申蓓 申请人:东南大学