专利名称：一种支持单双极脉宽调制控制的h桥电机控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种H桥电机驱动的控制器，尤其涉及一种可实现单双极脉宽调制输 出的H桥电机控制器。
背景技术：
PWM脉宽调制，是一种开关式稳压电源应用，是利用微控制器的数字输出来对模拟 电路进行控制的技术。利用脉宽调制方式实现电机调速的最大好处是电源的能量能得到充 分利用，电路的效率高。此外，采用脉宽调制方式可以使负载在工作时得到满电源电压，这 样有利于克服电机内在的线圈电阻而使电机产生更大的力矩。因此，PWM脉宽调制是对直 流电机进行数字化控制的最佳手段，已被广泛应用于直流电动机调速。在电机的众多应用场合，有时既要求电机正向转动，也需要电机反向旋转。这就要 求电机驱动器既可以向电机绕组输出正向驱动电流，还能够输出反向驱动电流。而这种驱 动器目前采用最广泛的是H桥驱动器。由于H桥驱动器具备有正反驱动的特性，且结构简 单、驱动功率大等特点，已被广泛应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动。在对基于H桥驱动器的电机控制方面，由于存在对高精度和低功耗的双重应用需 求，对电机控制需要采用两种调制控制方式，即双极调制控制和单极调制控制。目前具备两 种调制控制方式的电机控制器基本上采用MCU、FPGA等分立元件构成的电机控制系统。申 请人在先申请号为200910251520. 9、名称为“一种基于H桥驱动器的电机控制器”提出了单 芯片集成电路解决方案，但该专利只实现双极调制控制方式，而无法满足对单极调制控制 的应用需求；且该方案没有提出错误状态检测，无法满足高可靠系统的应用要求。
发明内容
本发明目的是提供一种支持单双极脉宽调制控制并能自动检测各种控制错误状 态的H桥电机控制器。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为一种支持单双极脉宽调制控制 的H桥电机控制器，其可输出至少一路PWM波形信号，它包括接口管理逻辑电路，其主要由地址译码器和多个寄存器组成，所述的接口管理逻 辑电路用于从外部接收包括正向脉冲宽度P、反向脉冲宽度N、死区时间D、周期T等数据信 息、地址信息以及时钟信号，并将接收的数据信息根据地址信息经译码器译码后存入相应 的寄存器；通道控制逻辑电路，其主要由通道选通控制寄存器、周期控制寄存器以及分频器 组成，所述的通道选通控制寄存器用于输出通道选通信号；所述周期控制寄存器用于对周 期值进行计数，每完成一次周期计数将输出一触发信号；所述的分频器用于对时钟信号进 行分频；错误检测逻辑电路，其用于检测输入的正向脉冲宽度P、反向脉冲宽度N、死区时 间D与周期T是否满足P+N+2D = T的关系，若不满足，则输出错误中断信号，禁止错误数据输出；脉宽调制逻辑电路，其包括至少一个脉宽调制通道，在所述的错误检测逻辑电路 无错误中断信号输出以及通道控制逻辑电路输出通道选通信号和触发信号后，根据输入的 正向脉冲宽度P、反向脉冲宽度N，控制其内部状态机的转换，以输出相应的PWM波形信号， 用于驱动电机做相应的转动。进一步地，错误检测逻辑电路中，当检测到正向脉冲宽度P、反向脉冲宽度N、死区 时间D与周期T关系为(1)死区时间D小于16个时钟宽度；⑵正向驱动脉冲P和反向驱 动脉冲N之和大于或等于周期；(3)正向驱动脉冲P大于周期T或反向驱动脉冲N大于周 期T ；⑷正向驱动脉冲P与反向驱动脉冲N之和有进位中的任一种时，错误检测逻辑电路 输出错误中断信号至脉宽调制逻辑电路，所述的脉宽调制逻辑电路将保持上一周期状态正 常输出，直至输入正确的P、N、D值。所述的错误检测逻辑电路还包括对每一个输出周期内所输出的正向驱动脉冲P 与反向驱动脉冲N的关系是否完整进行检测，即在一个输出周期内，只有当P和N都完整输 入后，才允许将新输入的控制量加载到脉宽调制逻辑电路中。所述的脉宽调制逻辑电路主要由控制量寄存器、控制量缓冲器、计数缓存器和脉 宽控制电路组成，接口管理逻辑电路中正向驱动宽度P和反向驱动脉冲宽度N的计数值被 写入相应控制量寄存器中，在错误检测逻辑电路无错误中断信号输出以及通道控制逻辑输 出通道选通和触发信号后，控制量寄存器中的数据被加载入相应控制量缓存器，控制量缓 存器内的数据在每个标志输出周期开始的触发信号的上升沿被载入计数缓存器，计数缓存 器的值又在下个时钟信号的上升沿写入脉宽控制电路中的相应计数器，计数器分别对P、N、 D控制量分别计数，每完成一次计数将产生一个脉冲跳转信号控制状态机进行状态跳转，从 而输出相应的调制波形。所述的状态机状态跳转的过程为在上电复位或停止工作时，状态机进入空闲等 待Idle状态，当检测到通道控制逻辑输出的触发信号的上升沿，且当前P计数器的值不等 于0，状态机进入正向驱动PD状态，并输出低电平有效的正向驱动电机信号；若当前P计数 器的值等于0，状态机进入死区Dead状态，不输出任何驱动信号；在状态机进入正向驱动 状态PD状态后，计数器做减计数，直到完成正向驱动所需要的时间计数后产生状态跳转信 号，状态机随之进入死区Dead状态；在死区Dead状态下，计数器计数死区时间，计数结束后 产生状态跳转信号；若当前N计数器的值不等于0，状态机检测到状态跳转信号后进入反向 驱动ND状态，输出反向驱动电机信号；若当前N计数器的值等于0，状态机检测到状态跳转 信号后进入空闲等待Idle状态，不输出驱动信号；在状态机进入反向驱动状态ND后，计数 器减计数，直到完成反向驱动电机所需要的时间后产生状态跳转信号，状态机接收到状态 跳转信号后进入空闲等待Idle，如此循环，实现单双极脉冲调制信号的输出。所述的接口管理逻辑电路、通道控制逻辑电路、错误检测逻辑电路、脉宽调制逻辑 电路集成在一块芯片上。由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点本发明H桥电机控制器，通过向其 输入正向脉冲宽度P、反向脉冲宽度N、死区时间D以及周期T可对输出模式进行转换，实现 单双极脉宽调制波形信号的输出，以满足高精度和低功耗的双重应用需求。同时，其还设置 了错误检测逻辑电路，在输入信号发生错误的情况下，将保持上一周期状态正常输出，可靠
5性高。
附图1为双极脉宽调制输出波形图；附图2为单极脉宽调制输出波形图；附图3为本发明H桥电机控制器结构原理图；附图4为本发明通道控制逻辑电路原理框图；附图5为本发明错误检测逻辑电路原理框图；附图6为本发明脉宽调制逻辑电路原理框图；附图7为本发明脉宽调制逻辑电路实现单双极脉宽输出状态转换图。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明优选的具体实施例进行说明本发明H桥电机控制器可同时提供双极调制控制方式和单极调制控制方式，所谓 的双极调制就是在一个输出周期内既有正向电机驱动脉冲P又包含反向电机驱动脉冲N， 对电机的控制由两者的差值决定。如图1所示，当正向电机驱动脉冲宽度P大于反向电机 驱动脉冲宽度N时，将控制电机正向转动；正向电机驱动脉冲宽度P小于反向电机驱动脉冲 宽度N时，将驱动电机反方向转动；正向电机驱动脉冲宽度P等于反向电机驱动脉冲宽度 N时，不驱动电机。双极调制方式驱动电机精度高，静、动态特性好，但不足之处在于功耗较 大，不适合应用电池供电等功耗要求较高的电机控制。而单极调制是在一个输出周期内只 有其中一种输出脉冲，如图2所示，若正向驱动电机，就在每个输出周期内输出正向电机驱 动脉冲P ；而反向驱动电机时，则只需输出反向电机驱动脉冲宽度N。该种调制方式可有效 降低功耗，但系统存在静态摩擦，其动、静态特性和控制精度会有降低。由此可见，两种调制 模式的优缺点存在互补，故电机的工作工程中，可通过变换双极和单极的输出模式来获得 电机工作的最佳效果。如在舵机工作的过程中，舵机位置调整前期，可先选择单极脉冲调制 输出方式，进行粗调整，可保证较低的系统驱动功耗；当舵机位置调整至接近目标位置时， 可变换为双极脉冲调制输出方式，进行细调整，从而有效提高其控制精度。为了实现两种调制控制方式的PWM脉宽调制输出，本发明的H桥控制器由通道控 制逻辑电路、错误检测逻辑电路、接口管理逻辑电路和脉宽调制逻辑电路组成，如图3所 示。其中，接口管理逻辑电路主要是完成地址译码以及数据的输入功能，确保控制数据能 够被正常输入到电路内部功能寄存器存储起来；通道控制逻辑电路主要实现通道选通、输 出周期控制和时钟分频等功能；错误检测逻辑主要负责对电路的输入以及状态进行错误检 测，一旦检测到错误输入，电路将保持最后一次正确的输出，直至输入正确控制量；脉宽调 制逻辑电路是根据输入的控制量以及功能寄存器的状态，输出正确的脉宽调制波形，控制H 桥驱动器，驱动电机做相应的转动。本实施例中，脉宽调制逻辑电路具有5个输出通道，故 可根据使用需要，选择相应通道的输出。下面对各功能电路进行详细说明所述接口管理逻辑电路主要由地址译码器和寄存器组成，接口管理电路用于接收 数据信息、地址信息以及各种控制信号。所述的数据信息包括一个周期内正向脉冲宽度P、 反向脉冲宽度N、死区时间D等信息，所述的地址信息主要用于为上述数据信息提供寄存器地址分配。本实施例中，接口管理逻辑电路内部共有23个寄存器，各功能寄存器的地址分 配信息表1所示，地址译码电路就是将输入的地址信息与相应的寄存器链接起来，实现通 过地址实现对寄存器的读写操作。表 1
寄存器名称地址A[5:0]通道0正向电机驱动脉冲宽度P寄存器低8位00010004H正向电机驱动脉冲宽度P寄存器高8位00010105H反向电机驱动脉冲宽度N寄存器低8位00011006H反向电机驱动脉冲宽度N寄存器高8位00011107H通道1正向电机驱动脉冲宽度P寄存器低8位00100008H正向电机驱动脉冲宽度P寄存器高8位00100109H反向电机驱动脉冲宽度N寄存器低8位0010100AH反向电机驱动脉冲宽度N寄存器高8位0010110BH通道2正向电机驱动脉冲宽度P寄存器低8位0011000CH正向电机驱动脉冲宽度P寄存器髙8位0011010DH反向电机驱动脉冲宽度N寄存器低8位0011100EH反向电机驱动脉冲宽度N寄存器髙8位0011110FH通道3正向电机驱动脉冲宽度P寄存器低8位01000010H正向电机驱动脉冲宽度P寄存器髙8位01000111H反向电机驱动脉冲宽度N寄存器低8位01001012H反向电机驱动脉冲宽度N寄存器高8位01001113H通道4正向电机驱动脉冲宽度P寄存器低8位01010014H正向电机驱动脉冲宽度P寄存器高8位01010115H反向电机驱动脉冲宽度N寄存器低8位01011016H反向电机驱动脉冲宽度N寄存器高8位01011117H周期周期T寄存器低8位10000020H周期T寄存器高8位10000121H控制寄存器控制寄存器CR10010024H图4所示的为通道控制逻辑电路原理图，其主要实现通道选通、输出周期控制和 时钟分频等功能，主要由通道选通控制寄存器、分频器以及周期控制寄存器组成。通道选通 逻辑就是通过设置一个通道控制寄存器来实现各通道的选通与关闭；输出周期控制逻辑主 要是通过设置一组周期寄存器，并通过一个计数器对周期值计数，每完成1次计数输出一 个触发信号，激发一个新的脉宽输出周期的开始；时钟分频电路主要是对时钟进行分频，以 便实现不同的计时精度。图5所示的为错误检测逻辑电路原理图，其主要包括控制量数据检测和数据完整 检测两部分功能电路。控制量数据检测主要检测输入的控制量P、N值(控制量P值表示正 向驱动脉宽度的计数值，控制量N值表示反向驱动脉宽度的计数值)与死区D (死区定义为 正向驱动脉冲P和反向驱动脉冲N之间的不交叠间隔)、输出周期T的关系，同时保证死区 的最小输出值。当检测到输出控制量数据存在如下4个方面关系⑴死区时间D小于16 个时钟宽度；(2)正向驱动脉冲P和反向驱动脉冲N之和大于或等于周期；(3)正向驱动脉冲P大于周期T或反向驱动脉冲N大于周期T ； (4)正向驱动脉冲P与反向驱动脉冲N之和 有进位。检测电路只要检测到输入控制量数据存在以上4个方面的关系，则判断为输入控 制量数据错误，并输出错误中断信号，禁止错误数据进入脉宽调制逻辑电路。电路也将保持 原状态不变正常输出，直至输入正确值。数据完整性检测逻辑是为了保证每一个输出周期内所输出的正向驱动脉冲P与 反向驱动脉冲N的关系是完整，即在每个输出周期内输出P与N必须满足关系式P+N+2D =T ；所以在一个输出周期内，只有当P和N都完成输入后，才允许将新输入的控制量数据 加载到脉宽调制逻辑电路中。由于在控制量P、N的输入过程中是按串行输入方式先后输入 的，而新输入的控制量在每个输出周期开始时被加载入脉宽调制逻辑电路。而这样有可能 出现其中一个控制量在周期开始之前输入，而另一个控制量在周期开始之后才被输入，周 期之前输入的新控制量在周期开始时被加载，而另一个控制量因没有来得及输入而加载了 原来的值。这样就出现了因控制量加载不完整而出现错误。因此，引入数据完整性检测逻 辑就是检测输入控制量是否完整，保证数据输入完整后才被加载至脉宽调制逻辑电路控制 输出。图6所示的为脉宽调制逻辑电路原理图，该电路主要由5部分组成控制量寄存 器、控制量缓冲器、计数缓存器和脉宽控制电路。整个电路处于工作状态时，通过数据管理 逻辑将正向驱动宽度P和反向驱动脉冲宽度N的计数值写入控制量寄存器中，死区D寄存 器由电路内部自动运算产生D= (T-P-N)/2。错误检测逻辑实时检测寄存器输入数据是否 正确、输入数据是否完整。如果输入数据正确且数据完整，则写入控制量寄存器的值将被 加载入控制量缓存器。控制量缓存器内的数据在每个标志输出周期开始的触发信号的上 升沿被载入计数缓存器。计数缓存器的值又在下个时钟信号的上升沿写入脉宽控制逻辑 中的相应计数器。脉宽控制逻辑是脉宽调制输出的关键部分，其主控逻辑由有限状态机控 制完成。计数器分别对P、N、D控制量分别计数，每完成一次计数将产生一个脉冲跳转信号 StartTurn控制状态机进行状态跳转。同时状态机跳转后产生一个脉冲加载信号Load控制 计数器加载新数据；输出控制逻辑根据状态机的状态输出相应的调制波形。状态机转换图 如图7所示，具体转换过程为在上电复位或停止工作时，状态机进入空闲等待Idle状态；当检测到触发信号 Tstart的上升沿，若当前P计数器的值不等于0，则状态机进入正向驱动PD状态，并输出低 电平有效的正向驱动电机信号；若当前P计数器的值等于0，状态机则进入死区Dead状态， 不输出任何驱动信号；若状态机进入正向驱动PD状态，计数器做减计数，直到完成正向驱 动所需要的时间计数后产生状态跳转信号StartTurn，状态机随之进入死区Dead状态。在 死区Dead状态下，计数器计数死区时间，计数结束后产生状态跳转信号StartTurn。若当前 N计数器的值不等于0，则状态机检测到状态跳转信号StartTurn后进入反向驱动ND状态， 输出反向驱动电机信号。反之，若当前N计数器的值等于0，则状态机检测到状态跳转信号 StartTurn后进入空闲等待Idle状态，不输出驱动信号。状态机进入反向驱动ND状态后， 计数器减计数，直到完成反向驱动电机所需要的时间后产生状态跳转信号StartTurn。状态 机接收到状态跳转信号后进入空闲等待Idle状态，如此循环。故在控制输入端口，只需根 据需要输入相应的正向脉冲宽度P或/和反向脉冲宽度N等控制量，即可实现单双极脉冲 调制的自动输出。
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本实施例H桥电机控制器可完全由数字电路实现，在完成电路设计并进行逻辑综 合后，可进行图设计，最后进行流片生产，从而形成一单芯片数字控制器。关于电路的逻辑 综合、自动版图设计、流片制造以及封装测试都采用单芯片集成电路标准设计、加工流程实 现，在此不再赘述。根据上述内容所实现的电机控制器，其具有如下特点(1)采用PWM脉宽调制方式实现对电机的控制，电源效率高，力矩大；(2)输出满足H桥驱动要求的控制信号，可直接控制H桥驱动运转；(3)单芯片集成控制器，结构简单，成本低，可靠性高；(4)具有双极调制和单极调制两种调制控制方式，满足高精度和低功耗的双重应 用需求；(5)具有错误检测功能，进一步提高可靠性；(6)电路具有5通道独立可控输出，满足多通道同时驱动要求。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人 士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明 精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种支持单双极脉宽调制控制的H桥电机控制器，其可输出至少一路PWM波形信号，它包括接口管理逻辑电路，其主要由地址译码器和多个寄存器组成，所述的接口管理逻辑电路用于从外部接收包括正向脉冲宽度P、反向脉冲宽度N、死区时间D、周期T等数据信息、地址信息以及时钟信号，并将接收的数据信息根据地址信息经译码器译码后存入相应的寄存器；通道控制逻辑电路，其主要由通道选通控制寄存器、周期控制寄存器以及分频器组成，所述的通道选通控制寄存器用于输出通道选通信号；所述周期控制寄存器用于对周期值进行计数，每完成一次周期计数将输出一触发信号；所述的分频器用于对时钟信号进行分频；错误检测逻辑电路，其用于检测输入的正向脉冲宽度P、反向脉冲宽度N、死区时间D与周期T是否满足P+N+2D＝T的关系，若不满足，则输出错误中断信号，禁止错误数据输出；脉宽调制逻辑电路，其包括至少一个脉宽调制通道，在所述的错误检测逻辑电路无错误中断信号输出以及通道控制逻辑电路输出通道选通信号和触发信号后，根据输入的正向脉冲宽度P、反向脉冲宽度N，控制其内部状态机的转换，以输出相应的PWM波形信号，用于驱动电机做相应的转动。
2.根据权利要求1所述的支持单双极脉宽调制控制的H桥电机控制器，其特征在于 错误检测逻辑电路中，当检测到正向脉冲宽度P、反向脉冲宽度N、死区时间D与周期T关系 为(1)死区时间D小于16个时钟宽度；(2)正向驱动脉冲P和反向驱动脉冲N之和大于或 等于周期；⑶正向驱动脉冲P大于周期T或反向驱动脉冲N大于周期T ；⑷正向驱动脉 冲P与反向驱动脉冲N之和有进位中的任一种时，错误检测逻辑电路输出错误中断信号至 脉宽调制逻辑电路，所述的脉宽调制逻辑电路将保持上一周期状态正常输出，直至输入正 确的P、N、D值。
3.根据权利要求2所述的支持单双极脉宽调制控制的H桥电机控制器，其特征在于 所述的错误检测逻辑电路还包括对每一个输出周期内所输出的正向驱动脉冲P与反向驱 动脉冲N的关系是否完整进行检测，即在一个输出周期内，只有当P和N都完整输入后，才 允许将新输入的控制量加载到脉宽调制逻辑电路中。
4.根据权利要求1所述的支持单双极脉宽调制控制的H桥电机控制器，其特征在于 所述的脉宽调制逻辑电路主要由控制量寄存器、控制量缓冲器、计数缓存器和脉宽控制电 路组成，接口管理逻辑电路中正向驱动宽度P和反向驱动脉冲宽度N的计数值被写入相应 控制量寄存器中，在错误检测逻辑电路无错误中断信号输出以及通道控制逻辑输出通道选 通和触发信号后，控制量寄存器中的数据被加载入相应控制量缓存器，控制量缓存器内的 数据在每个标志输出周期开始的触发信号的上升沿被载入计数缓存器，计数缓存器的值又 在下个时钟信号的上升沿写入脉宽控制电路中的相应计数器，计数器分别对P、N、D控制量 分别计数，每完成一次计数将产生一个脉冲跳转信号控制状态机进行状态跳转，从而输出 相应的调制波形。
5.根据权利要求4所述的支持单双极脉冲调制控制的H桥电机控制器，其特征在于 所述的状态机状态跳转的过程为在上电复位或停止工作时，状态机进入空闲等待Idle状 态，当检测到通道控制逻辑输出的触发信号的上升沿，且当前P计数器的值不等于0，状态机进入正向驱动PD状态，并输出低电平有效的正向驱动电机信号；若当前P计数器的值等 于0，状态机进入死区Dead状态，不输出任何驱动信号；在状态机进入正向驱动状态PD状 态后，计数器做减计数，直到完成正向驱动所需要的时间计数后产生状态跳转信号，状态机 随之进入死区Dead状态；在死区Dead状态下，计数器计数死区时间，计数结束后产生状态 跳转信号；若当前N计数器的值不等于0，状态机检测到状态跳转信号后进入反向驱动ND 状态，输出反向驱动电机信号；若当前N计数器的值等于0，状态机检测到状态跳转信号后 进入空闲等待Idle状态，不输出驱动信号；在状态机进入反向驱动状态ND后，计数器减计 数，直到完成反向驱动电机所需要的时间后产生状态跳转信号，状态机接收到状态跳转信 号后进入空闲等待Idle，如此循环，实现单双极脉冲调制信号的输出。
6.根据权利要求1 5中的任一种支持单双极脉冲调制控制的H桥电机控制器，其特 征在于所述的接口管理逻辑电路、通道控制逻辑电路、错误检测逻辑电路、脉宽调制逻辑 电路集成在一块芯片上。
全文摘要
本发明涉及一种支持单双极脉宽调制控制的H桥电机控制器，它包括用于从外部接收包括正向脉冲宽度P、反向脉冲宽度N、死区时间D、周期T等数据信息、地址信息以及时钟信号的接口管理逻辑电路、主要由通道选通控制寄存器和周期控制寄存器以及分频器组成的通道控制逻辑电路、用于检测输入的正向脉冲宽度P、反向脉冲宽度N、死区时间D与周期T是否满足P+N+2D＝T的关系的错误检测逻辑电路、脉宽调制逻辑电路，根据输入的正向脉冲宽度P、反向脉冲宽度N，控制其内部状态机的转换，以输出相应的PWM波形信号，用于驱动电机做相应的转动，本发明H桥电机控制器实现了单双极脉宽调制波形信号的输出，以满足高精度和低功耗的双重应用需求。
文档编号H02P29/00GK101977019SQ20101052419
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者汪健, 谢斌, 陈远金 申请人:中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心