专利名称：基于嵌入式系统级芯片的超声电机驱动控制器的制作方法
基于嵌入式系统级芯片的超声电机驱动控制器技术领域-本发明是一种对超声电机进行驱动控制的装置，尤其是一种采用PSoC的驱 动控制器。
背景技术：
超声电机(Ultrasonic Motor, USM)是利用功能材料构成的一种新型 电机，它利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将弹性材料(压电陶瓷，PZT) 的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动。由于其独特 的运行机理，USM具有传统电磁式电机不具备的优点结构简单紧凑、低速大转 矩、不需要减速机构、形式灵活多样等，因而受到广泛关注,在微机电系统(MEMS)、 纳米技术、军工、机器人、生物学、医疗机械、航空航天、办公自动化等领域展 现出巨大的应用潜力和优势。但是要驱动超声电机，必须配备专用的驱动电源，这为超声电机取代传统的 电磁电机设置了障碍。如果驱动器的体积过大，将更加阻碍超声电机的推广。为 此，在保证满足驱动器基本要求的前提下，应尽可能地缩小驱动器的体积，以便 在更多领域充分发挥超声电机的独特优点。随着半导体工艺的发展、新型控制芯 片集成度以及功能的提高，使得研制高性能、小型化的驱动控制器成为可能，其 中嵌入式系统级芯片PSoC以其强大的功能、高的集成度正被越来越多的人所使 用。
发明内容
本发明的目的是提供一种电路简洁、具有调频、调相和调压功能的基于嵌入 式系统级芯片的超声电机小型化的驱动控制器。 一种基于嵌入式系统级芯片的超声电机驱动控制器，其特征在于，该驱动控制器包括手动编码器调节电路、PSoC芯片、推挽逆变电路、升压电路、电感匹 配电路、LED发光指示电路、孤极整流滤波电路，其中，手动编码器调节电路接 PSoC芯片的输入端，PSoC芯片的输出端分别接LED发光指示电路的输入端、推 挽逆变电路的输入端，推挽逆变电路的输出端接升压电路的输入端，升压电路的 输出端接电感匹配电路的输入端、电感匹配电路的输出端接超声电机，孤极整流 滤波电路的输入信号取自超声电机的孤极区，输出端接PSoC芯片的输入端。PsoC
芯片内部配置的两个带死区的16位的PWM模块能产生四路彼此相差^的带死 区的方波信号，且该方波信号能直接推动推挽逆变电路中的A相两个开关管和B 相两个开关管(M0SFET管)完成直流逆变。推挽逆变电路由A相两个开关管和B 相的两个开关管组成，升压电路由A相升压变压器和B相升压变压器组成，电感 匹配电路由A相匹配电感和B相匹配电感组成，其中，A相两个开关管和B相的 两个开关管的栅极分别连接一个限流电阻的输出端，每个限流电阻的输入端分别 接PSoC芯片的四个P丽信号输出口 ， A相两个开关管和B相的两个开关管的的 源极均接"地"，A相两个开关管和B相两个开关管的漏极分别接A相升压变压 器和B相升压变压器原边的两个端；A相升压变压器和B相升压变压器原边的 中间端接直流电源，A相升压变压器和B相升压变压器副边绕组同名端分别接A 相匹配电感和B相匹配电感的输入端，A相升压变压器、B相升压变压器副边绕 组异名端均接"地"；A相匹配电感、B相匹配电感的输出端分别接超声电机的两 相输入端。孤极整流滤波电路的输入信号取自超声电机的孤极区，输出端接PSoC 芯片的被配置成用作模拟信号输入的"P0[1]" 口。孤极整流滤波电路由滤波电 容、电位器、分压电阻、整流二极管、整流电容、整流电阻组成，其中，滤波电 容的输入端接超声电机的孤极区，输出端接电位器的输入端；电位器的中间端接 整流二极管的阳极，电位器输出端接分压电阻的输入端；分压电阻的输出端接"地"；整流二极管的阴极分别接整流电容、整流电阻的输入端和PSoC芯片的"PO[l] " 口；整流电容、整流电阻的输出端均接"地"。本发明利用PSoC芯片的PWM模块直接产生四路方波信号推动MOS管完成直 流逆变，取代了传统的频率发生、分频分相和部分驱动电路以及控制电路，极大 地縮小了驱动控制器的体积，并采用孤极反馈法实现了对超声电机的频率跟踪达 到稳定电机转速的目的，采用串联电感匹配技术对显容性的超声电机进行了电路 匹配。电路具有根据电机运行状态自动调频、调相和调压功能。
图l是本发明的结构框图。其中有手动编码器调节电路l、 PSoC芯片2、推 挽逆变电路3、升压电路4、电感匹配电路5、 LED发光指示电路6、孤极整流滤 波电路7。图2是本发明的电路原理图。图2中符号名称 .TlA相升压变压器 T2 B相升压变压器Ll A相匹配电感L2B相匹配电感QlA相MOS管Q2B相MOS管Q2A相MOS管Q3B相MOS管C(l 8) 滤波电容Dl肖特基二极管D2 整流二极管D(3 -7)发光二极管in 手动编码器U2直流电源U3PSoC芯片JP1直流电源接口JP2 驱动信号输出口JP3PSoC程序烧录口R15 电位器具体实施方案本发明的基于嵌入式系统级芯片的超声电机驱动控制器，如图l所示，包括手动编码器调节电路l、 PSoC芯片2、推挽逆变电路3、升压电路4、电感匹配 电路5、 LED发光指示电路6、孤极整流滤波电路7，其中，手动编码器调节电路 1接PSoC芯片2的输入端，PSoC芯片2的输出端分别接LED发光指示电路6的 输入端、推挽逆变电路3的输入端，推挽逆变电路3的输出端接升压电路4的输 入端，升压电路4的输出端接电感匹配电路5的输入端、电感匹配电路5的输出 端接超声电机M，孤极整流滤波电路7的输入信号取自超声电机M的孤极区，输 出端接PSoC芯片2的输入端。根据图2所示的电路原理图，叙述本发明电路具体组成，图中U1为手动编 码器调节电路l， U2为直流电源，U3为PsoC芯片2，其中直流电源U2的输出分 别连接手动编码调节电路1和PsoC芯片2.PSoC芯片内部配置的两个带死区的16位的PWM模块能产生四路彼此相差 ^的带死区的方波信号，且该方波信号能直接推动推挽逆变电路中的四个M0S 管Q1、 Q2、 Q3、 Q4完成直流逆变。推挽逆变电路由A相两个开关管Ql、 Q2和B 相两个开关管Q3、 Q4 (均为M0SFET管)组成，升压电路由A相升压变压器Tl 和B相升压变压器T2组成，电感匹配电路由A相匹配电感Ll和B相匹配电感 L2组成，其中，四个M0SFET管Q广Q4的栅极分别接一个限流电阻R3、 R12、 R13、 Rll的输出端，每个限流电阻的输入端分别接PSoC芯片的四个P觀信号输出口， 四个M0SFET管Q广Q4的源极均接"地"，四个M0SFET管的漏极分别接变压器A 相升压变压器Tl和B相升压变压器T2原边的"1、 3"两端；A相升压变压器Tl 和B相升压变压器T2原边的中间端"2"接直流电源，A、 B相两个升压变压器
副边绕组的同名端"4"端分别接A相、B相匹配电感L1、 L2的输入端，A相、B 相两个升压变压器副边绕组异名端"5"端均接"地"；A相、B相两个匹配电感 Ll、 L2的输出端分别接超声电机的两相输入端。孤极整流滤波电路的输入信号 取自超声电机的孤极区，输出端接PSoC芯片U3的被配置成用作模拟信号输入的 "P0[1]" 口。孤极整流滤波电路由滤波电容C5、电位器R15、分压电阻R14、 整流二极管D2、整流电容C4、整流电阻R4组成，其中，滤波电容C5的输入端 接超声电机(M)的孤极区，输出端接电位器的"1"端；电位器的"2"端接整 流二极管D2的阳极，其"3"端接分压电阻R14的输入端；分压电阻R14的输出 端接"地"；整流二极管D2的阴极分别接整流电容C4、整流电阻R4的输入端和 PSoC芯片(2)的"PO[l] " 口；整流电容C4、整流电阻R4的输出端均接"地"。 本发明控制部分的核心为PSoC芯片，它通过对P丽信号的频率、相位和占 空比的改变来控制电机的运行状态，并采用孤极反馈法实现了对超声电机的频率 跟踪达到稳定电机转速的目的，采用串联电感匹配技术对显容性的超声电机进行 了电路匹配。行波型超声电机的驱动电压要求为两相正弦波，为了达到可用多种手段控制 的目的，要求两相相位差、幅值和频率均可调，并且具有速度反馈电路。PSoC 芯片使用强大的4MIPS的8位哈佛结构的微处理器内核(M8C CPU CORE),拥有 可编程数字系统、模拟系统和丰富的系统资源，这使得PSoC芯片能很好地胜任 这个任务。推动M0S管的四路PWM信号由PSoC芯片的内部配置的两个带死区的P丽模 块产生，PWM信号频率的设置由P丽模块的API函数 腦p柳l—WritePeriod(period)禾口腿pwm2一WritePeriod(period)完成，死区的 设置由P丽模块的 API 函数UMDpwml—WriteDeadTime(deadtime)和 UMDpra2J riteDeadTime(deadtime)完成。PSoC芯片还能很方便的进行占空比和 相位差的设置和调节，占空比的设置由P丽模块的API函数 腿pwml一WritePulseWidth (pul sewidth)UMDpwm2一WritePulseWidth(pulsewidth) 完成，相位差的设置由UMDpwm2—WritePeriod(shift)函数完成，其中，参数shift 是相位差经计算后的周期值，与period的值有关。通过对以上各函数参数的调 节，即可完成对P丽信号的频率、死区、占空比、相位差的调节。函数参数的调 节由手动编码器完成，由编码器动作程序提供软件支持。直流电源经推挽逆变电路后生成两路双极性的方波信号，其送升压电路的升 压变压器升压后再经电感匹配电路进行串联电感匹配后驱动超声电机。 为了达到稳速的目的，采用了孤极反馈法来完成对超声电机各速度点的频率 跟踪，其具体原理是PSoC芯片实时地将超声电机的孤极电压经整流滤波分压 后得到的直流量采进，经其内部的可编程增益放大'PGA模块进行比例调整后由模数转换器ADCINC转换成一二进制的数字量，将该量与每次进行速度调节后的 初始的孤极电压(基准电压)经相同原理转换得到的二进制的数字量进行比较得 出误差量，该误差量经增量式PID控制程序处理后调节P丽模块的Period值， 进而调节PWM波的频率，实现调节电机驱动频率。最后通过驱动功放电路，达到 速度调节功能，直至误差量小到设定范围之内。
权利要求
1、一种基于嵌入式系统级芯片的超声电机驱动控制器，其特征在于，该驱动控制器包括手动编码器调节电路(1)、PSoC芯片(2)、推挽逆变电路(3)、升压电路(4)、电感匹配电路(5)、LED发光指示电路(6)、孤极整流滤波电路(7)，其中手动编码器调节电路(1)接PSoC芯片(2)的输入端，PSoC芯片(2)的输出端分别接LED发光指示电路(6)的输入端和推挽逆变电路(3)的输入端，推挽逆变电路(3)的输出端接升压电路(4)的输入端，升压电路(4)的输出端接电感匹配电路(5)的输入端、电感匹配电路(5)的输出端接超声电机(M)，孤极整流滤波电路(7)的输入信号取自超声电机(M)的孤极区，输出端接PSoC芯片(2)的输入端。
2、 根据权利要求l所述的基于嵌入式系统级芯片的超声电机驱动控制器，其 特征在于，所述的PSoC芯片(2)内部配置的两个带死区的16位的P丽模块能 产生四路彼此相差^的带死区的方波信号，且该方波信号能直接推动推挽逆变 电路(3)完成直流逆变。
3、 根据权利要求1或2所述的基于嵌入式系统级芯片的超声电机驱动控制器， 其特征在于，所述的推挽逆变电路(3)由A相第一、第二两个开关管(Ql、 Q2) 和B相的第三、第四两个开关管(Q3、 Q4)组成，所述的升压电路(4)由A相 升压变压器(Tl)和B相升压变压器(T2)组成，所述的电感匹配电路(5)由 A相匹配电感(Ll)和B相匹配电感(L2)组成，其中，A相的第一、第二两个 开关管(Ql、 Q2)和B相的第三、第四两个开关管(Q3、 Q4)的栅极分别接一个 限流电阻(R3、 R12、 R13、 Rll)的输出端，四个限流电阻(R3、 R12、 R13、 Rll) 的输入端分别接PSoC芯片(2)的四个PM1信号输出口，第一、第二、第三、第 四的四个开关管(Q广Q4)的源极均接"地"，第一开关管(Ql)的漏极接A相升 压变压器(Tl)原边绕组同名端，第二开关管(Q2)漏极接A相升压变压器(Tl) 原边绕组异名端，B相第三开关管(Q3)漏极接B相升压变压器(T2)原边绕组 同名端，第四开关管(Q4)的漏极接B相升压变压器(T2)原边绕组异名端；A 相升压变压器(Tl)和B相升压变压器(T2)原边绕组的中间端均接直流电源 U2, A相升压变压器(Tl)副边绕组同名端连于A相匹配电感(Ll)的输入端， B相升压变压器(T2)副边绕组同名端连于B相匹配电感(L2)输入端，A相升 压变压器(Tl)副边绕组异名端与B相升压变压器(T2)副边绕组异名端相连后 接"地"，A相匹配电感(Ll)的输出端与B相匹配电感(L2)的输出端分别接 超声电机(M)的两相输入端。
4、根据权利要求1或2或3所述的基于嵌入式系统级芯片的超声电机驱动控 制器，其特征在于，孤极整流滤波电路(7)包括滤波电容(C5)、电位器(R15)、 分压电阻(R14)、整流二极管(D2)、整流电容(C4)、整流电阻(R4)，其中， 滤波电容(C5)的输入端接超声电机(M)的孤极区，滤波电容(C5)的输出端 接电位器(R15)的输入端；电位器(R15)的中间端接整流二极管(D2)的阳极， 电位器(R15)的输出端接分压电阻(R14)的输入端；分压电阻(R14)的输出 端接"地"；整流二极管(D2)的阴极分别接整流电容(C4)、整流电阻(R4)的 输入端和PSoC芯片(2)的"PO[l] " 口；整流电容(C4)和整流电阻(R4)的 输出端均接"地"。
全文摘要
一种基于嵌入式系统级芯片的超声电机驱动控制器，属超声电机驱动控制器。包括手动编码器调节电路(1)、PSoC芯片(2)、推挽逆变电路(3)、升压电路(4)、电感匹配电路(5)、LED发光指示电路(6)、孤极整流滤波电路(7)，其中，手动编码器调节电路(1)接PSoC芯片(2)的输入端，PSoC芯片(2)的输出端分别接LED发光指示电路(6)的输入端、推挽逆变电路(3)的输入端，推挽逆变电路(3)的输出端接升压电路(4)的输入端，升压电路(4)的输出端接电感匹配电路(5)的输入端、电感匹配电路(5)的输出端接超声电机M，孤极整流滤波电路(7)的输入信号取自超声电机(M)的孤极区，输出端接PSoC芯片(2)的输入端。该驱动控制器具有自动调频、调相和调压功能。
文档编号H02N2/00GK101150289SQ20071013445
公开日2008年3月26日 申请日期2007年10月23日 优先权日2007年10月23日
发明者俊 冒, 李华峰, 梁大志, 赵淳生 申请人:南京航空航天大学