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
技术领域：
本发明涉及一种超声电机驱动控制器，尤其涉及一种基于嵌入式系统级芯 片的超声电机驱动控制器。
背景技术：
超声电机(UltrasonicMotor, 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。
现在超声电机驱动器的匹配电路常用串联电感实现，使得在调频的时候加 在超声电机上的电压变化较大，如果调频同时要保证电机电压不变，必须在调 整频率后再对输入电压进行调节，这就使得电机的控制变得复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于嵌入式系统级芯片的超声电机驱 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，包括手动编码器调节电 路、PSoC芯片、电感匹配电路、LCD显示电路，其中手动编码器调节电路输出 端接PSoC芯片的输入端，PSoC芯片的输出端接LCD显示电路的输入端，电感 匹配电路的输出端接超声电机，其特征在于还包括推挽升压电路、半桥驱动电 路、半桥逆变电路、输出电压采样电路、孤极电压采样电路，其中推挽升压电 路的输入端、半桥驱动电路的输入端分别接PSoC芯片的输出端，推挽升压电路 和半桥驱动电路的输出端分别接半桥逆变电路的输入端，半桥逆变电路的输出 端接电感匹配电路的输入端，输出电压采样电路的输入端接推挽升压电路的输 出端，输出电压采样电路的输出端接PSoC芯片的输入端，孤极电压采样电路的 输入信号取自超声电机的孤极区，孤极电压采样电路的输出端接PSoC芯片的输
入端o
本发明利用PSoC芯片的三对PWM模块直接产生六路方波信号，其中一对 经过推挽驱动电路驱动MOS管完成直流升压，另外两对经半桥驱动电路驱动
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，并采用孤极电压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，采用并联电感匹配技术对容性超声电机进行电路匹配，利用PSoC 的动态重组功能可以方便地调节电机电压、频率和相位。电路具有根据电机运 行状态自动调频、调相和调压功能。
图1:本发明整体结构图； 图2:本发明电路原理图。 图中主要符号名称-
UlPSoC芯片U2推挽电路驱动器
U3A相桥驱动器U4B相桥驱动器
U5光耦隔离器U6LCD显示电路
U7手动编码器调节电路T升压变压器
C3孤极滤波电容Rl电位器
Ll、L2 滤波电感M行波超声电机
A相匹配电感B相匹配电感
Dl D8整流二极管R2输出电压采样电阻
具体实施例方式
如图1所示， 一种基于嵌入式系统级芯片的超声电机驱动控制器，包括手动
编码器调节电路l、 PSoC芯片2、电感匹配电路6、 LCD显示电路7，其中手动 编码器调节电路1输出端接PSoC芯片2的输入端，PSoC芯片2的输出端接LCD 显示电路7的输入端，电感匹配电路6的输出端接超声电机M，其特征在于还 包括推挽升压电路3、半桥驱动电路4、半桥逆变电路5、输出电压采样电路8、 孤极电压采样电路9，其中推挽升压电路3的输入端、半桥驱动电路4的输入端 分别接PSoC芯片2的输出端，推挽升压电路3和半桥驱动电路4的输出端分别 接半桥逆变电路5的输入端，半桥逆变电路5的输出端接电感匹配电路6的输 入端，电压采样电路8的输入端接推挽升压电路3的输出端，采样电路8的输 出端接PSoC芯片2的输入端，孤极电压采样电路9的输入信号取自超声电机M 的孤极区，孤极电压采样电路9的输出端接PSoC芯片2的输入端。
所述的PSoC芯片2内部配置三个带死区的16位的PWM模块，其中一个用 来驱动推挽升压电路3，另外两个PWM模块产生四路彼此相差^的带死区的
方波信号，且该方波信经半桥驱动电路4得到驱动信号，所述驱动信号推动半 桥逆变电路5完成直流逆变。
如图2所示的附图包括手动编码器调节电路1、 PSoC芯片2、推挽升压电路 3、半桥驱动电路4、半桥逆变电路5、电感匹配电路6、 LCD显示电路7、输出
电压采样电路8、孤极电压采样电路9，图中Ul即PSoC芯片2， U6即LCD显 示电路7， U7即手动编码器调节电路1。
所述的推挽升压电路3由推挽电路驱动器U2、直流电源DC、第一开关管 Ql、第二开关管Q2、升压变压器T、四个整流二极管即第一整流二极管D1至 第四整流二极管D4、第一滤波电感L1、第二滤波电感L2、第一滤波电容C1、 第二滤波电容C2、第一体二极管D9、第二体二极管D10组成，其中推挽电路 驱动器U2的HIN端与PSoC芯片2的P16端连接，推挽电路驱动器U2的LIN 端与PSoC芯片2的P14端连接，推挽电路驱动器U2的HO端与第二开关管 Q2的栅极连接，推挽电路驱动器U2的LO端与第一开关管Ql的栅极连接，直 流电源DC的正极与第一开关管Ql和第二开关管Q2的漏极、第一体二极管D9 和第二体二极管DIO的阴极连接，第一开关管Q1的源极和第一体二极管D9的 阳极连接后与升压变压器T的原边绕组的同名端连接，第二开关管Q2的源极和 第二体二极管D10的阳极连接后与升压变压器T的原边绕组的异名端连接，直 流电源DC的负极与升压变压器T的原边绕组的中间端连接，第一整流二极管 Dl的阴极与第三整流二极管D3的阳极连接后接升压变压器T的副边绕组的同 名端，第二整流二极管D2的阴极与第四整流二极管D4的阳极连接后接升压变 压器T的副边绕组的异名端，第一整流二极管D1的阳极与第二整流二极管D2 的阳极连接后接第二滤波电感L2的输出端，第二滤波电感L2的输入端分别与 第二滤波电容C2的输出端、半桥逆变电路5的输入端连接，第三整流二极管 D3的阴极与第四整流二极管D4的阴极连接后接第一滤波电感L1的输入端，第 一滤波电感Ll的输出端分别与输出电压采样电路8的输入端、第一滤波电容 Cl的输入端、半桥逆变电路5的输入端连接，第一滤波电容Cl的输出端和第 二滤波电容C2的输入端连接后与电感匹配电路6的输出端连接。
所述的半桥驱动电路4由A相桥驱动器U3和B相桥驱动器U4组成，其中 A相桥驱动器U3的HO端、LO端分别与半桥逆变电路5连接，A相桥驱动器 U3的HIN端与PSoC芯片2的P17端连接，A相桥驱动器U3的LIN端与PSoC 芯片2的P15端连接；B相桥驱动器U4的HO端、LO端分别与半桥逆变电路 5连接，B相桥驱动器U4的fflN端与PSoC芯片2的P13端连接，B相桥驱动 器U4的LIN端与PSoC芯片2的Pll端连接。
所述半桥逆变电路(5)由A相两个开关管即第三开关管Q3、第四开关管 Q4、 B相的两个开关管即第五开关管Q5、第六开关管Q6以及四个体二极管即 第三体二极管Dll至第六体二极管D16组成，其中第三开关管Q3、第四开关管 Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6的栅极分别与半桥驱动电路4的输出端连 接，第三开关管Q3的漏极与第三体二极管Dll的阴极、第五开关管Q5的漏极、 第五体二极管D13的阴极连接后接推挽升压电路3的输出端，第四开关管Q4 的源极与第四体二极管D12的阳极、第六开关管Q6的源极、第六体二极管D14 的阳极连接后接推挽升压电路3的输出端，第三开关管Q3的源极分别与第三体 二极管D11的阳极、第四开关管Q4的漏极、第四体二极管D12的阴极和电感 匹配电路6的输入端连接，第五开关管Q5的源极分别与第五体二极管D13的阳极、第六开关管Q6的漏极、第六体二极管D14的阴极和电感匹配电路6的 输入端连接。
所述电感匹配电路6由A相匹配电感L3和B相匹配电感L4组成，其中A 相匹配电感L3和B相匹配电感L4的输出端分别接超声电机M的两相输入端， A相匹配电感L3和B相匹配电感L4的输入端分别接半桥逆变电路5的输出端， A相匹配电感L3的输出端和B相匹配电感L4的输出端接超声电机(M)的输 入端。
所述孤极电压采样电路9包括四个整流二极管即第五整流二极管D5至第八 整流二极管D8、孤极滤波电容C3、电位器R1和光耦隔离器U5组成，其中第 六整流二极管D6的阴极与第七整流二极管D7阴极连接后接孤极滤波电容C3 的输入端，孤极滤波电容C3的输出端接电位器R1的输入端，电位器R1的中 间端和输出端分别接光耦隔离器U5的输入端，光耦隔离器输出接PSoC芯片2 的P00端，第五整流二极管D5的阴极和第六整流二极管D6的阳极连接后接超 声电机M的孤极区，第五整流二极管D5的阳极和第八整流二极管D8的阳极连 接后接孤极滤波电容C3的输出端，第七整流二极D7的阳极和第八整流二极 D8的阴极连接后接电感匹配电路6的输出端。
所述升压变压器T由铁氧体磁芯材料制成。
所述输出电压采样电路采用分压电阻R2 。
木发明基于嵌入式系统级芯片的超声电机驱动控制器，控制部分的核心为 PSoC芯片，它通过对PWM信号的频率、相位和占空比的改变来控制电机的运 行状态，并采用孤极电压反馈法实现对超声电机的频率跟踪达到稳定电机转速 的目的，采用并联电感匹配技术对容性超声电机进行无功匹配，使电机控制更 容易。
行波型超声电机的驱动电压要求为两相交流三角波、方波或正弦波，本驱动 器输出为交流方波电压，经过串联小电感使电压波形近似为正弦波，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 度反馈功能。PSoC芯片使用强大的4MIPS的8位哈佛结构的微处理器内核(M8C CPUCORE)，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。
PSoC芯片内部配置的三个带死区的PWM模块产生推动MOS管所需的六路 PWM信号，其中一对为推挽电路驱动信号，经过推挽驱动电路U2把PSoC输 出的PWM信号放大成推挽电路第一、第二MOS管Ql、 Q2所需驱动信号，通 过调节占空比来达到调节电压的目的。
半桥逆变电路驱动信号由另外两对PWM信号提供，经过半桥驱动电路U3 和U4电路使两对PWM信号满足半桥逆变电路四个MOS管Q3 Q6驱动要求， 调频和调相位差通过调节这两对PWM信号的频率和相位差来实现，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。
低压直流电源DC经推挽升压电路后生成电机所需要的高电压，其输出高压 为半桥逆变电路的直流母线输入，经过半桥逆变电路生成超声电机需要的交流
电压，在两个桥臂输出和第一、第二直流滤波电容C1、 C2的中间连接两个匹配 电感L3、 L4，完成对超声电机容性的匹配。
为稳定推挽电路输出电压和电机速度，使用直流输出电压反馈和孤极电压反 馈两个电压闭环。直流输出电压经过分压电路，把采样电压反馈给PSoC。由于 采用半桥逆变，电机孤极电压与电源电压不共地，孤极电压经过整流滤波和分 压后必须经过光耦隔离才能将采样电压反馈给PSoC。在PSoC内部，两路反馈 信号经过两个可编程增益放大PGA模块进行比例调整后给双通道模数转换器模 块，两路采样电压经过模块转换分别与内部的设定值比较再对相应的PWM信号 的占空比、频率或相位差进行相应的调节，实现稳压和稳速的目的，从而保证 电机工作状态稳定。
电机运行状态参数，如驱动电压、工作频率、相位差等由LCD显示。
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，包括手动编码器调节电路(1)、PSoC芯片(2)、电感匹配电路(6)、LCD显示电路(7)，其中手动编码器调节电路(1)输出端接PSoC芯片(2)的输入端，PSoC芯片(2)的输出端接LCD显示电路(7)的输入端，电感匹配电路(6)的输出端接超声电机(M)，其特征在于还包括推挽升压电路(3)、半桥驱动电路(4)、半桥逆变电路(5)、输出电压采样电路(8)、孤极电压采样电路(9)，其中推挽升压电路(3)的输入端、半桥驱动电路(4)的输入端分别接PSoC芯片(2)的输出端，推挽升压电路(3)和半桥驱动电路(4)的输出端分别接半桥逆变电路(5)的输入端，半桥逆变电路(5)的输出端接电感匹配电路(6)的输入端，输出电压采样电路(8)的输入端接推挽升压电路(3)的输出端，输出电压采样电路(8)的输出端接PSoC芯片(2)的输入端，孤极电压采样电路(9)的输入信号取自超声电机(M)的孤极区，孤极电压采样电路(9)的输出端接PSoC芯片(2)的输入端。
2. 根据权利要求1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)内部配置三个带死区的16位的PWM模块，其 中一个用来驱动推挽升压电路(3)，另外两个PWM模块产生四路彼此相差^的带死区的方波信号，且该方波信经半桥驱动电路(4)得到驱动信号，所述驱动 信号推动半桥逆变电路(5)完成直流逆变。
3. 根据权利要求1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升压电路(3)由推挽电路驱动器(U2)、直流电源(DC)、 第一开关管(Ql)、第二开关管(Q2)、升压变压器(T)、四个整流二极管即第 一整流二极管(Dl)至第四整流二极管(D4)、第一滤波电感(Ll)、第二滤波 电感(L2)、第一滤波电容(Cl)、第二滤波电容(C2)、第一体二极管(D9)、 第二体二极管(D10)组成，其中推挽电路驱动器(U2)的HIN端与PSoC芯 片(2)的P16端连接，推挽电路驱动器(U2)的LIN端与PSoC芯片(2)的 P14端连接，推挽电路驱动器(U2)的HO端与第二开关管(Q2)的栅极连接， 推挽电路驱动器(U2)的LO端与第一开关管(Ql)的栅极连接，直流电源(DC) 的正极与第一开关管(Ql)和第二开关管(Q2)的漏极、第一体二极管(D9) 和第二体二极管(D10)的阴极连接，第一开关管(Ql)的源极和第一体二极 管(D9)的阳极连接后与升压变压器(T)的原边绕组的同名端连接，第二开关 管(Q2)的源极和第二体二极管(D10)的阳极连接后与升压变压器(T)的原 边绕组的异名端连接，直流电源(DC)的负极与升压变压器(T)的原边绕组 的中间端连接，第一整流二极管(Dl)的阴极与第三整流二极管(D3)的阳极 连接后接升压变压器(T)的副边绕组的同名端，第二整流二极管(D2)的阴极 与第四整流二极管(D4)的阳极连接后接升压变压器(T)的副边绕组的异名端， 第一整流二极管(Dl)的阳极与第二整流二极管(D2)的阳极连接后接第二滤 波电感(L2)的输出端，第二滤波电感(L2)的输入端分别与第二滤波电容(C2) 的输出端、半桥逆变电路(5)的输入端连接，第三整流二极管(D3)的阴极与 第四整流二极管(D4)的阴极连接后接第一滤波电感(Ll)的输入端，第一滤 波电感(Ll)的输出端分别与输出电压采样电路(8)的输入端、第一滤波电容 (Cl)的输入端、半桥逆变电路(5)的输入端连接，第一滤波电容(Cl)的输 出端和第二滤波电容(C2)的输入端连接后与电感匹配电路(6)的输出端连接。
4. 根据权利要求1所述的基于嵌入式系统级芯片的超声电机驱动控制器，其 特征在于所述的半桥驱动电路(4)由A相桥驱动器(U3)和B相桥驱动器(U4) 组成，其中A相桥驱动器(U3)的HO端、LO端分别与半桥逆变电路(5)的 输入端连接，A相桥驱动器(U3)的HIN端与PSoC芯片(2)的P17端连接， A相桥驱动器(U3)的LIN端与PSoC芯片(2)的P15端连接；B相桥驱动器(U4)的HO端、LO端分别与半桥逆变电路(5)的输入端连接，B相桥驱动 器(U4)的HIN端与PSoC芯片(2)的P13端连接，B相桥驱动器(U4)的 LIN端与PSoC芯片(2)的P11端连接。
5. 根据权利要求1所述的基于嵌入式系统级芯片的超声电机驱动控制器，其 特征在于所述半桥逆变电路(5)由A相的两个开关管即第三开关管(Q3)、第 四开关管(Q4)、 B相的两个开关管即第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)以 及四个体二极管即第三体二极管(D11)至第六体二极管(D16)组成，其中第 三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)的 栅极分别与半桥驱动电路(4)的输出端连接，第三开关管(Q3)的漏极与第三 体二极管(D11)的阴极、第五开关管(Q5)的漏极、第五体二极管(D13)的 阴极连接后接推挽升压电路(3)的输出端，第四开关管(Q4)的源极与第四体 二极管(D12)的阳极、第六开关管(Q6)的源极、第六体二极管(D14)的阳 极连接后接推挽升压电路(3)的输出端，第三开关管(Q3)的源极分别与第三 体二极管(D11)的阳极、第四开关管(Q4)的漏极、第四体二极管(D12)的 阴极和电感匹配电路(6)的输入端连接，第五开关管(Q5)的源极分别与第五 体二极管(D13)的阳极、第六开关管(Q6)的漏极、第六体二极管(D14)的 阴极和电感匹配电路(6)的输入端连接。
6. 根据权利要求1所述的基于嵌入式系统级芯片的超声电机驱动控制器，其 特征在于所述电感匹配电路(6)由A相匹配电感(L3)和B相匹配电感(L4) 组成，其中A相匹配电感(L3)和B相匹配电感(L4)的输入端分别接半桥逆 变电路(5)的输出端，A相匹配电感(L3)的输出端和B相匹配电感(L4)的 输出端接超声电机(M)的输入端。
7. 根据权利要求1所述的基于嵌入式系统级芯片的超声电机驱动控制器，其 特征在于所述孤极电压采样电路(9)包括四个整流二极管即第五整流二极管(D5)至第八整流二极管(D8)、孤极滤波电容(C3)、电位器(Rl)和光耦 隔离器(U5)组成，其中第六整流二极管(D6)的阴极与第七整流二极管(D7) 阴极连接后接孤极滤波电容(C3)的输入端，孤极滤波电容(C3)的输出端 接电位器(Rl)的输入端，电位器(Rl)的中间端和输出端分别接光耦隔离器 (U5)的输入端，光耦隔离器输出接PSoC芯片(2)的P00端，第五整流二极 管(D5)的阴极和第六整流二极管(D6)的阳极连接后接超声电机(M)的孤 极区，第五整流二极管(D5)的阳极和第八整流二极管(D8)的阳极连接后接 孤极滤波电容(C3)的输出端，第七整流二极(D7)的阳极和第八整流二极(D8) 的阴极连接后接电感匹配电路(6)的输出端。
8.根据权利要求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 特征在于所述升压变压器(T)由铁氧体磁芯材料制成。
全文摘要
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、PSoC芯片、推挽升压电路、半桥驱动电路、半桥逆变电路、电感匹配电路、LCD显示电路、输出电压采样电路、孤极电压采样电路，其中，手动编码器调节电路、孤极电压采样电路、输出电压采样电路的输出端接PSoC芯片的输入端，PSoC芯片的输出端接LCD显示电路、推挽升压电路、半桥驱动电路的输入端，输出电压采样电路的输入端接推挽升压电路的输出端，推挽升压电路和半桥驱动电路的输出端接半桥逆变电路的输入端，半桥逆变电路的输出端接超声电机。孤极电压采样电路的输入端接超声电机的孤极区。本发明可以实现频率、相位差和电压的独立调节。
文档编号H02N2/00GK101373937SQ20081015573
公开日2009年2月25日 申请日期2008年10月8日 优先权日2008年10月8日
发明者李华峰, 王红占, 赵淳生 申请人:南京航空航天大学