专利名称：H桥相移pwm控制信号发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种本发明涉及PWM(Pulse Width Modulation脉冲宽度调制)技术 领域，尤其涉及一种应用于超声波电机驱动控制系统的两相H桥相移PWM控制信号发生器。
背景技术：
超声波电机(USM)是一种新型的运动控制执行元件，具有不同于传统电磁电机的 工作原理与结构。USM的特点使其在高端及普通运动控制领域都有着广泛的应用前景。驱动控制电路的性能好坏直接影响USM运动控制装置的整体控制性能。USM驱动 控制电路有多种不同的结构形式；目前，推挽式电路应用较广。该类电路结构相对简单，构 成的USM运动控制装置可以满足许多应用场合的需求。但该类控制电路也存在一些缺点， 如变压器输出电压谐波含量高，电压幅值控制线性度不理想等，不利于USM运动控制装置 性能的进一步提高。与推挽式电路相比，采用相移PWM控制方法的H桥电路在电路效率、输出电压谐 波、电压幅值控制线性度等方面的性能都较好。图1为超声波电机H桥驱动控制电路的基本结构框图。图中虚线框内，功率MOSFET 开关器件Q1-Q8构成两个H桥，分别为用来驱动超声波电机A相的A相H桥，和用来驱动超 声波电机B相的B相H桥；Q1-Q8在相移PWM控制信号PWMA1-PWMD2的控制下，将直流电压 转换为高频方波驱动电压，通过升压变压器、串联匹配电感分别驱动USM的A、B两相压电陶瓷片ο对于H桥功率变换电路而言，常用的PWM控制方法是上、下桥臂开关器件的PWM 信号互补，位于对角线上的两个开关器件的PWM信号相同，通过调节PWM控制信号占空比来 改变输出交流电压幅值。采用这种控制方式，H桥输出交流电压的实际波形和幅值不仅取 决于PWM控制信号占空比，而且与续流过程相关，即与其负载性质(感性或容性)相关；这导 致输出电压谐波含量高，占空比-幅值调节特性随负载性质变化而变化，带来额外的控制 非线性。与上述方法不同，图1所示H桥电路也可以采用相移PWM控制方法所有开关器 件的PWM控制信号占空比固定为50% (不计死区)，上、下桥臂开关器件的PWM信号互补。图 2为相移PWM控制信号的示意图，图中信号标识与图1 一致。调节H桥左、右桥臂开关器件 PWM信号的相位差，即图2所示β角，可以改变输出电压脉冲的占空比，电压幅值亦随之改 变。采用相移PWM控制方法，H桥输出电压波形仅由PWM控制信号决定，与负载性质及续流 过程无关。两相H桥相移PWM控制信号发生器是图1所示电路的主要环节之一，其实现可以 有多种不同的方式1)采用内含PWM单元的电机控制专用DSP芯片，通过软件编程实现。但是，由于目前各 个系列的电机控制专用DSP均是针对传统电机应用场合设计的，其内置PWM单元自动生成 的PWM信号都不是相移PWM。要利用这些DSP实现相移PWM，在一个PWM周期内需要多次响应中断，占用大量计算时间，使DSP的计算能力无法更多地用于实现控制策略，限制了其控 制功能的发挥。2)采用相移PWM专用控制芯片，如UCC3895等。这类功能芯片并不多见，而且都是 为电源应用而设计的，只能给出驱动一个H桥所需的4路相移PWM控制信号，无法给出图1 电路需要的两相H桥协调控制的信号，多芯片同步调节亦难于实现；且这些芯片中相移PWM 控制信号发生器通常与其它应用单元集成在一起，难于针对超声波电机这一特殊应用进行 单独使用、调节。所以，当前缺少一种适用于超声波电机驱动的两相H桥相移PWM控制信号发生器。
发明内容
本发明的目的是提供一种H桥相移PWM控制信号发生器，用以解决现有技术没有 专用于两相超声波电机H桥驱动电路的相移PWM控制信号发生器的问题。为实现上述目的，本发明的方案是一种H桥相移PWM控制信号发生器，其外部的 H桥控制电路包括对称的A相H桥电路与B相H桥电路，所述信号发生器由CPLD实现，包 括分别对应两个H桥电路的四个N位加法器，每个N位加法器对应一个左桥臂或右桥臂，N 位加法器的输出连接一个非门的输入端，非门的输入端和输出端分别发送对应左桥臂或右 桥臂的上下开关管的相移控制信号，各N位加法器的输入端均连接同一个N位计数器的输 出端，所述N位计数器的计数脉冲为输入时钟信号；所述各N位加法器均有各自的偏移量输 入。一个左桥臂或右桥臂的控制信号产生过程与原理N位计数器对输入时钟信号进 行计数，计数最大值为2-Y-1 ,同时将计数值输出到N位加法器，各N位加法器分别将N 位计数器输出的计数值与各自的输入偏移量X相加，运算值大于设定值时，直接输出高/低 电平，通过非门输出低/高电平，运算值小于设定值时，直接输出低/高电平，通过非门输出高/低电平，以产生需要的相移角度；N位计数器计数周期为2·Υ,对应于360°电角度，则N 位加法器输出值超前N位计数器输出值的电角度为=,通过改变偏移量X就可以调整电角度α。该对称的H桥相移PWM控制信号发生器为数字电路，可由一片CPLD (可编程逻辑 器件)芯片实现，实现简单、可靠，易于集成，控制精度高。所述各N位加法器的输出端以及非门的输出端上均连接有死区产生电路。所述 死区产生电路包括一个与门，所述与门的一个输入端连接所述N位加法器的输出端或非门 的输出端，另一个输入端通过一个电容接地，两输入端之间连接一个电阻，所述与门的输出 端输出相移控制信号。所述设定值为2-ν—，信号发生器输出相移PWM控制信号的占空比为 50%。
图1是超声波电机H桥控制电路框图； 图2是相移PWM控制信号波形图；图3是本发明的H桥相移PWM控制信号发生器结构原理图； 图4是本发明信号发生器波形示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。一种用于超声波电机驱动的新颖的两相H桥相移PWM控制信号发生器，其结构如 图3所示。该信号发生器能够产生用于控制两相H桥的8路相移PWM控制信号，两相相位 差及每相H桥输出电压频率、幅值(脉宽)均可任意连续调节。该对称的H桥相移PWM控制 信号发生器为数字电路，可由一片CPLD (可编程逻辑器件)芯片实现，实现简单、可靠，易于 集成，控制精度高。图3所示信号发生器由1个N位计数器、4个N位加法器、4个非门和8个与门构 成，输入量为时钟信号CLK及用来控制相移角度的4个N位偏移量，输出量为用于控制两相 H桥共8个功率器件的8路PWM信号PWMA1>WMD2，另有16个辅助输出端用于生成死区。每个N位加法器对应一个左桥臂或右桥臂，N位加法器的输出端发送对应桥臂的 上/下开关管的相移控制信号，并通过一个非门发送对应下/上开关管的相移控制信号(非 门的输入端和输出端分别对应上下互补的两个开关管)，各N位加法器的输入端均连接一个 N位计数器的输出端，N位计数器的计数脉冲为输入时钟信号；各N位加法器均有各自的偏 移量输入。图3中的N位计数器用作PWM周期计数器。该计数器为加法计数器，对输入时 钟信号CLK计数，初值为0。该计数器输出的计数值如图4波形示意图(a)所示。图4为了 使图形表述更加清楚，将计数器输出的二进制计数值的累加变化过程画成了连续变化的直 线。易知PWM频率为式中，为输入时钟信号CLK的频率。
图3中的4个N位加法器将N位计数器输出的N位计数值与外部输入的N位偏移 量相加，以产生需要的相移角度。原理如下N位计数器与N位加法器计数与加法最大值都 为2_v-1，达到最大值即会溢出，重新从零开始计数，或加法运算后和大于最大值，则将和 减去最大值；首先N位计数器对输入时钟信号进行计数，同时将计数值输出到N位加法器， 各N位加法器分别将N位计数器输出的计数值与各自的输入偏移量X相加，运算值大于设 定值(设定为2Λ'—、最大值的一半，这样便能产生占空比50%的波形)时，直接输出高电平， 通过非门输出低电平，运算值小于设定值时，直接输出低电平，通过非门输出高电平。前述 N位计数器的计数周期为2Ν，对应于360°电角度。那么，如果N位偏移量值为X，则N位加 法器输出值超前N位计数器输出值的电角度为这里，X的取值范围是W， 2^-1 ]。通过改变X的值，可以得到相对于N位计数器输出值的W，360° ]角度调节范围。分别用做4个N位加法器加数的4个N位偏移量取 不同数值，就可以使每相H桥相移PWM控制信号的相移角度及两相H桥控制信号之间的相位差为任意值，如图4 (b)所示。 由式(2)易知，通过改变输入偏移量数值调节相移角度的分辨率为
权利要求
1.一种H桥相移PWM控制信号发生器，其外部的H桥控制电路包括对称的A相H桥电 路与B相H桥电路，其特征在于，所述信号发生器由CPLD实现，包括分别对应两个H桥电 路的四个N位加法器，每个N位加法器对应一个左桥臂或右桥臂，N位加法器的输出连接一 个非门的输入端，非门的输入端和输出端分别发送对应左桥臂或右桥臂的上下开关管的相 移控制信号，各N位加法器的输入端均连接同一个N位计数器的输出端，所述N位计数器的 计数脉冲为输入时钟信号；所述各N位加法器均有各自的偏移量输入；一个左桥臂或右桥臂的控制信号产生过程与原理N位计数器对输入时钟信号进行计数，计数最大值为’同时将计数值输出到N位加法器，各N位加法器分别将N位计数器输出的计数值与各自的输入偏 移量X相加，运算值大于设定值时，直接输出高/低电平，通过非门输出低/高电平，运算值 小于设定值时，直接输出低/高电平，通过非门输出高/低电平，以产生需要的相移角度；N位计数器计数周期为2_V，对应于360°电角度，则N位加法器输出值超前N位计数器输出值 的电角度为￠ = 4-360=,通过改变偏移量X就可以调整电角度α。
2.根据权利要求1所述的一种H桥相移PWM控制信号发生器，其特征在于，所述各N位 加法器的输出端以及非门的输出端上均连接有死区产生电路。
3.根据权利要求2所述的一种H桥相移PWM控制信号发生器，其特征在于，所述死区产 生电路包括一个与门，所述与门的一个输入端连接所述N位加法器的输出端或非门的输出 端，另一个输入端通过一个电容接地，两输入端之间连接一个电阻，所述与门的输出端输出 相移控制信号。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种H桥相移PWM控制信号发生器，其特征在于， 所述设定值为信号发生器输出相移PWM控制信号的占空比为50%。
全文摘要
本发明涉及一种H桥相移PWM控制信号发生器，其外部的H桥控制电路包括对称的A相H桥电路与B相H桥电路，所述信号发生器由CPLD实现，包括分别对应两个H桥电路的四个N位加法器，每个N位加法器对应一个左桥臂或右桥臂，N位加法器的输出连接一个非门的输入端，非门的输入端和输出端分别发送对应左桥臂或右桥臂的上下开关管的相移控制信号，各N位加法器的输入端均连接一个N位计数器的输出端，所述N位计数器的计数脉冲为输入时钟信号；所述各N位加法器均有各自的偏移量输入。该对称的H桥相移PWM控制信号发生器为数字电路，可由一片CPLD芯片实现，实现简单、可靠，易于集成，控制精度高。
文档编号H02P27/08GK102045026SQ201010286490
公开日2011年5月4日 申请日期2010年9月19日 优先权日2010年9月19日
发明者史敬灼, 张慧敏, 徐迎曦, 王海彦, 齐晶晶 申请人:河南科技大学