一种抗辐照电机控制器芯片、电机控制器系统的制作方法

本实用新型涉及微电子技术领域，特别是涉及一种抗辐照电机控制器芯片、电机控制器系统。

背景技术：

光电信息技术涉及光信息的辐射、传输、探测以及光电信息的转换、存储、处理与显示等众多内容。光电信息技术广泛应用于国民经济和国防建设的各行各业。近年来，光电信息技术以极快的响应速度、极宽的频宽、极大的信息容量以及极高的信息效率和分辨率推动者现代信息技术的发展。由于光电式控制系统与机械式控制器相比，具有可靠性高、精度高、使用方便等优点，因此在航天器的电机控制系统中通常采用光电式电机控制系统。

光电式电机控制系统由光源、光栅码盘和光电检测变换装置组成，光栅码盘可随电机主轴转动。当主轴转动时，光源照射码盘，透过光孔的光经光探测器和电机控制器等电子元件组成的检测变换装置输出电脉冲，这样光栅码盘就随电机速度的改变而发生位置的变化，从而输出一系列的电脉冲信号。通过采样固定时间内的脉冲数,经过转换计算得到电机速度，从而控制电机转动速度。此外，由于光电式电机控制系统的具有的高精度是机械式控制器无法比拟的，除航天领域外，也常常广泛的应用在工程控制领域，其应用范围涵盖汽车、计算机及外设、无线与有线通讯和工业等诸多领域。

在空间应用中，航天器对电机转速的精度、可靠性以及小型化要求越来越高，为减小空间复杂的电磁环境对电机控制器输出信号的影响，航天领域通常采用光信号对电机进行控制。航天器的小型化、高精度和高可靠性的发展需求，需要结合光电信息技术应用在航天控制领域。

因此，为满足我国航天航空领域和其它工程控制领域的发展需求，本实用新型设计了一种集成光探测器的抗辐照电机控制器芯片，从而满足航天航空领域对电机控制系统的小型化、高精度、高可靠性的需求。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种抗辐照电机控制器芯片、电机控制器系统，以解决上述问题。

为达到上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

本实用新型第一方面公开了一种抗辐照电机控制器芯片，包括光探测器和电机控制器，

所述光探测器，用于将光信号转化成第一电信号，并发送给所述电机控制器；

所述电机控制器，用于将所述第一电信号转换成第一数字信号，并对接收到的外部的控制信号进行处理后控制电机的工作状态。

优选地，所述电机控制器包括信号采样电路、模数转换器、脉宽调制电路和输出驱动电路，

所述信号采样电路，用于采集处理所述光探测器发送的第一电信号；

所述n位高精度模数转换器，用于将所述第一电信号转化为第一数字信号，并发送至外部的微控制器；

所述脉宽调制电路，用于接收并处理所述微控制器发送的控制信号，将所述控制信号调制为控制电机转速的第二电信号；

所述输出驱动电路，用于响应于接收到的所述第二电信号，调整外部电机的工作状态。

优选地，所述信号采样电路包括运放电路和滤波电路，

所述运放电路，用于对所述第一电信号进行放大；

所述滤波电路，用于将所述运放电路放大后的第一电信号进行滤波。

优选地，所述电机控制器还包括：逻辑控制电路，用于控制所述电机控制器中的各电路的开关状态。

优选地，所述脉宽调制电路采用脉宽调制电路。

优选地，所述光探测器和所述电机控制器集成在同一载体上。

优选地，所述控制器芯片采用抗辐射加固结构。

本实用新型第二方面公开了一种基于上述抗辐照电机控制器芯片的电机控制器系统，所述系统包括微控制器，所述微控制器用于接收处理电机控制器发出的第一数字信号，并向所述电机控制器发送控制信号。

优选地，所述微控制器向所述电机控制器发送的控制信号采用pwm脉宽信号。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型所述技术方案为一种集成有光探测器的抗辐射电机控制器芯片，光探测器部分采用了半导体光探测器的设计方法，可实现光信号到电信号的转换。电机控制器部分电路通过外接单片机构成环路，实现电机控制功能。将光探测器集成到电机控制器芯片中，可以减小因光探测器和外部控制电路元器件的批次差异引入的误差，提升电机控制器的控制精度。避免因独立元器件的批次质量问题而带来的风险，提高产品的合格率和保障性。同时将电机控制电路和光探测器集成为一个芯片，可以降低电机控制器的复杂度，减少封装成本。与分立器件相比，集成光探测器的电机控制器芯片，可以减小控制系统的空间体积，满足小型化发展需求。此外，芯片设计中加入了抗总剂量辐射结构所达到的抗总剂量辐射的水平也可满足现阶段航空航天设备的需求。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出根据一个实施例中电机控制器芯片的结构示意图；

图2示出根据另一个实施例中电机控制器芯片的版图布局示意图；

图3示出根据另一个实施例中光探测器的结构示意图；

图4示出根据另一个实施例中光探测器的结构示意图；

图5示出本实施例中光探测器工作原理同；

图6示出本实施例中光探测器光照特性图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

由于在分立器件中，各个器件的性能参数存在误差，器件的批次性一致性差，使用分立器件进行批量生产时，容易导致系统之间存在较大的误差。在使用不同批次的分立器件时尤为明显。不利于提高产品的合格率，导致生产成本增加，经济效益降低。集成为单一芯片后，因采用的是先进集成电路制造工艺，生产出来的芯片各器件参数性能优异，且一致性好，可有效地提高产品的合格率，提升企业的经济效益。

本实用新型公开了一种集成光探测器的抗辐照电机控制器芯片。芯片内部电路结构包括：光探测器和电机控制器两个部分。光探测器采集透过光栅码盘的光信号，并将其转换为第一电信号。电机控制器部分采集光探测器输出的单元电信号，同时通过内部的模数转换器处理将其转换成数字信号输出；对接收到的外部的控制信号进行处理得到控制电机转速的第二电信号，以实现对外部的电机等设备进行工作状态的调整。

在一个具体的实施例中，如图1所示，所述电机控制器包括信号采样电路、模数转换器(n位高精度adc)、脉宽调制电路和输出驱动电路。所述信号采样电路用于采集处理所述光探测器发送的第一电信号；所述模数转换器用于将所述第一电信号转化为第一数字信号，并发送至外部的微控制器；所述脉宽调制电路用于接收并处理所述微控制器(mcu)发送的控制信号，将所述控制信号调制为控制电机转速的第二信号，可选的，所述脉宽调制电路采用脉宽调制(pwm)电路；所述输出驱动电路用于响应于接收到的经所述逻辑电路处理后的控制信号，调整外部电机的工作状态，所述输出驱动电路采用mosfet功率输出驱动电路。

其工作原理是：信号采样电路采集光探测器输出的第一电信号，经过滤波放大处理，输出到n位高精度adc中；模拟信号(第一电信号)经过模数转换器处理后，将光探测器输出的模拟信号转换为第一数字信号，最终向外部微控制器(mcu)输出；单片机通过对所接收的第一数字信号经过内部算法处理，得出当前电机转动状态处于何状态以及该如何调整的结果，然后向电机控制器输出控制信号；电机控制器接收到单片机反馈的控制信号后，经过内部电路的处理，得到第二电信号，然后将第二电信号输入到mosfet功率输出驱动电路中，调整或保持电机工作的工作状态。

该实施例中所述光探测器和所述电机控制器集成在同一载体上，即将光探测器、信号采样电路、多位高精度adc(n位高精度adc)、脉宽调制(pwm)电路和输出驱动电路集成成为单一的ic芯片，由此芯片与mcu组合即得到一个高精度光电式电机控制系统。图2为芯片的版图布局示意图，说明集成光探测器的抗辐照电机控制器芯片的布局方式。整个芯片大体分为三个区域，分别是光探测器区、电机控制器电路区和电机驱动电路区。光探测器采集到光信号后转换为电信号，经过控制电路处理后反馈到电机驱动电路中，进而调节电机速度。

集成后的抗辐照电机控制器芯片可提高系统精度和一致性，与传统光电式电机控制系统相比，由于电机控制电路由集成电路代替了传统的分立器件式的电路，因此可大大降低该系统的封装成本。传统电路中，各个分立器件均需进行独立封装，而集成为单一芯片后，只需对单一芯片进行封装，可以大大降低封装成本，同时因减少了封装器件，系统的体积也得以缩小。进行集成后，在组装系统时，只需对单一芯片进行一次焊接，可减少组装难度。

在本实施例中，所述信号采样电路包括运放电路和滤波电路。所述运放电路用于对所述第一电信号进行放大；所述滤波电路用于将所述运放电路放大后的第一电信号进行滤波。芯片中各电路连接关系：光探测器与运放电路相连，运放电路与滤波电路连接，滤波电路与多位高精度adc电路连接；pwm脉宽调制电路与输出驱动电路相连。

进一步的，所述电机控制器还包括：逻辑控制电路(图中未示出)，用于控制所述电机控制器中的各电路的开关状态。通过所述逻辑控制电路实现了对电机控制器中各电路的协同工作，保证控制器的稳定运行。

在本实施例中，由于本实用新型芯片需要在空间环境中使用，因此整个芯片均按照已验证的抗总剂量辐射结构进行设计，以满足产品在空间环境中的使用需求。具体的，集成的所述电机控制器芯片采用抗辐射加固结构进行了抗辐射加固。可选的，一方面可引入看门狗电路、三模冗余电路和电路中抗单粒子翻转的双互锁存储单元(dice)结构电路等中的至少一个；或者采用特殊栅机构设计、抗单粒子闩锁的隔离环设计等方式中的至少一种。另一方面，通过材料和工艺加固：通过工艺的优化来达到抗辐照的要求，如在cmos、soi、sos、砷化镓、铁电等工艺方面均能够进行精加工，并且应用到抗辐照的集成电路中。

由于光探测器又称光电传感器，是将被测量的光信号转换成电信号的传感器。光电传感器是光电系统的重要组成部分,主要包括光敏材料制作的探测器件，光电二极管和光电倍增管，利用内光电效应的光导管，以及应用光生电势效应的光敏二极管、光敏三极管、光电池等。

在本实用新型中，如图3-4所示，基体硅片可用p型或n型，pn结的形成根据生产工艺的不同可采用扩散发或注入法。n/p光探测器是在p型硅片上扩散5价元素，形成n层；p/n光探测器是在n型硅片上扩散3价元素，形成p层。光探测器的后表面不受光照，在后表面上制作底电极。光照面上的上电极根据需求可制成不同的形状，这里以栅状说明示意。制作后电极后，在光照面上制作一层抗反射膜，以减少光信号的反射损耗。

光探测器采用的是光电池的原理，在光线照射下，直接将光量转变为电动势。当光线透过半导体入射到pn结时，对于能量大于材料禁带宽度的光子,由于本征吸收,就可激发出电子、空穴、以及电子——空穴对对。p区的光生电子和n区的光生空穴以及结合的电子——孔穴对扩散到结电场附近时,在内建电场的作用下漂移过结，电子——空穴对被阻挡层的内建电场分开,光生电子和孔穴被分别拉到n区和p区，从而在阻挡层两侧形成电荷的堆积,产生内建电场的光生电场，使得内建电场的势垒降低，降低量等于光生电势差。如图5所示，光生电势差所产生的光生电流ip方向和结电流的方向相反,而与p—n结反向饱和电流io同向，而且ip>io。

光电池在不同的光强度照射下产生不同的光电流和光生电动势。如图6所显示的便是光电池的光照特性曲线。从该图中我们可以看到，短路电流在很大范围内与光照度成线性关系,而开路电压与光照度关系是成非线性关系，在照度位2000lx下趋于饱和。因此光电池作为测量元件使用时，一般不作电压源使用，而作为电流源的形式应用。所谓的短路电流是指，外接负载rl相对内阻很小时的光电流。负载电阻rl越小，光电流与光照强度之间的线性关系越好，线性范围越宽。

本实用新型中还公开了一种基于上述抗辐照电机控制器芯片的电机控制器系统，所述系统还包括与所述电机控制器芯片连接的mcu，所述mcu用于接收处理电机控制器发出的第一数字信号，并向所述电机控制器发送控制信号。优选地，所述mcu向所述电机控制器发送的控制信号采用pwm脉宽信号。

在本实施例中，基于上述结构，设计的抗辐照电机控制器芯片在工作时有如下流程：光探测器感应照射到芯片的表面的光线，将光信号转换成电信号，该电信号经过放大电路(即运放电路)进行放大，然后经过滤波电路，将杂散信号滤除；滤除杂散信号后的电信号输入到多为高精度adc电路中，经过adc电路的处理，将模拟的电信号转换成多位数字信号；adc电路的输出信号作为mcu控制器的输入信号；adc的数字输出信号经过mcu处理后，由mcu输出一个用于调节电机转速的pwm脉宽信号；芯片的pwm脉宽调制电路接收到mcu输出的pwm脉宽信号后，将pwm脉宽信号调制为用于控制电机转速的电信号；该电信号经过芯片的输出驱动电路进一步放大后，直接作用到电机上，调节电机的转速。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。