專利名稱：一種基于嵌入式芯片的超聲電機驅動控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種輸出驅動脈沖信號精準控制的超聲電機驅動控制器，通過嵌入式芯片硬件的合理配置和軟件程序的動態控制，能夠實現對輸出驅動脈沖的精準控制，屬于超聲電機驅動控制器領域。
背景技術：
超聲電機是一種利用逆壓電效應，彈性體振動和摩擦傳動原理的新型電機。與傳統電機相比，超聲電機具有低轉速、力矩/質量比大、響應速度快、停電自鎖、納米級分辨率、無電磁干擾等特點。超聲電機需要兩路正交相位的超聲頻率信號源來驅動。目前，已有的超聲電機驅動器通常提供的IO接口，供外部控制器(例如運動控制卡等)來控制電機的啟動/停止和用模擬電壓來調節電機的轉速。但是，無法實現納米級分辨率要求的輸出驅動脈沖串的起始相位和停止相位均為0°相位、以及輸出脈沖數目可以實現精準控制的要求。現有專利技術“基于嵌入式系統級芯片超聲電機驅動控制器”(ZL200710134453. 3)，利用PSoC芯片的PWM模塊直接產生四路方波信號推動MOS管完成直流逆變，具有根據電機運行狀態自動調頻、調相和調壓功能，但是卻不能夠實現輸出驅動脈沖相位和脈沖數目的精準控制。
發明內容本實用新型的所要解決的技術問題是提供一種基于嵌入式芯片的超聲電機驅動控制器，通過PSoC芯片的可編程功能和脈沖數目控制算法，構造超聲電機驅動器，能夠實現輸出驅動脈沖相位和脈沖數目的精準控制，從而實現直線型超聲電機納米級直線位移和旋轉型超聲電機亞角秒級旋轉角度分辨率的精準脈沖驅動控制的目標。本實用新型為實現上述實用新型目的采用如下技術方案—種基于嵌入式芯片的超聲電機驅動控制器,包括嵌入式可編程芯片PSoC、第一驅動與匹配模塊和第二驅動與匹配模塊；其中嵌入式可編程芯片PSoC的輸出端分別與所述兩個驅動與匹配模塊的輸入端連接，所述兩個驅動與匹配模塊的輸出端分別與超聲電機的輸入端連接。進一步的，前述的基于嵌入式芯片的超聲電機驅動控制器中，嵌入式可編程芯片PSoC包括計數器、定時器、串行通信模塊、以及分別兩路同步正交的第一 PWM信號發生器與第二 PWM信號發生器、第一緩沖器與第二緩沖器、第一輸出總線邏輯器與第二輸出總線邏輯器；其中，所述第二 PWM信號發生器的信號輸出端分別與計數器的信號輸入端、第二輸出總線邏輯器連接；所述第一 PWM信號發生器的信號輸出端與所述第一輸出總線邏輯器的信號輸入端連接；所述計數器的信號輸出端分別與所述兩個緩沖器的信號輸入端連接，所述第一緩沖器的信號輸出端與第一輸出總線邏輯器的信號輸入端連接，第二緩沖器的信號輸出端與第二輸出總線邏輯器的信號輸入端連接； 所述第一輸出總線邏輯器的信號輸出端與第一驅動與匹配模塊的信號輸入端連接，第二輸出總線邏輯器的信號輸出端與第二驅動與匹配模塊的信號輸入端連接；所述串行通信模塊與遠程控制端連接。進一步的，前述的基于嵌入式芯片的超聲電機驅動控制器中，計數器用于控制驅 動脈沖的輸出個數，該計數器的中斷模塊能用來控制脈沖組數以及脈沖周期。進一步的，前述的基于嵌入式芯片的超聲電機驅動控制器中，定時器產生O. 5ms時間基準，用于嵌入式可編程芯片PSoC的分時調度系統的定時控制。進一步的，前述的基于嵌入式芯片的超聲電機驅動控制器中，串行通信模塊用于實現對輸出驅動頻率、脈沖個數、脈沖組數、脈沖周期等動/靜態參數的遠程設置。本實用新型采用上述技術方案具有如下有益效果本實用新型通過對超聲電機驅動頻率、脈沖個數、脈沖組數、脈沖周期的精準控制，達到了對直線型超聲電機納米級直線位移和旋轉型超聲電機亞角秒級旋轉角度分辨率的精準脈沖驅動控制的目標。


圖I是基于PSoC芯片的超聲電機驅動器；圖2是PSoC可編程數字單元鏈接電原理框圖；圖3是PSoC分時調度系統原理框圖；圖4是PSoC脈沖模式輸出示意圖；圖5是PSoC脈沖中斷原理框圖。具體實施方案
以下結合附圖對技術方案的實施作進一步的詳細描述如圖I所示，超聲電機驅動控制器由嵌入式可編程芯片PSoC，驅動與匹配模塊PA-A和PA-B構成。嵌入式可編程芯片PSoC輸出的兩路信號A和/A接端接驅動與匹配模塊PA-A的輸入端，嵌入式可編程芯片PSoC輸出的兩路信號B和/B接端接驅動與匹配模塊PA-B的輸入端。驅動與匹配模塊PA-A和PA-B的輸出端接超聲電機USM的輸入端。圖2為PSoC可編程數字單元鏈接電原理框圖。在PSoC Designer集成開發環境中創建本實用新型工程，構建工程的用戶模塊和端口配置，用戶模塊和端口屬性的設置及初始化和用戶模塊與端口的鏈接等。本實用新型使用了兩組PWM信號發生器5和8、兩組緩沖器6和9、兩組輸出總線邏輯7和10、一組計數器11、一組定時器12、一組串行通信模塊13等15個可編程數字單元和2個可編程輸出總線，占用了 5個(A、/A、B、/B、TXD)輸出端口和I個(RXD)輸入端口，系統使用了 I個(O. 5ms定時中斷)中斷、I個(Clk) 48MHz的全局時鐘、I個(Enable)信號同步信號。Enable同步信號能夠保證兩相輸出頻率信號的正交性。PWM信號發生器5和PWM信號發生器8的輸出頻率信號，決定了超聲電機的速度。計數器11的輸入時鐘來自于PWM信號發生器8的輸出信號，計數器11輸出‘ I’電平的脈沖寬度，通過輸出總線邏輯7和10的‘邏輯與’，就決定了輸出端口 A，/A, B, /B輸出的脈沖個數。通過串行口可以動態改變計數器11的‘I’電平的脈沖寬度，也就實現了對超聲電機的輸出驅動脈沖個數的有效控制。輸出總線邏輯7和10為可配置的輸出邏輯，其中‘0’電平輸出邏輯，能夠實現輸出端口 A、/A，B，/B的輸出為‘0’電平；‘A’輸出邏輯，使PWM發生器5和8與輸出端口 A、/A，B和/B直接連接，可實現PWM發生器5和8到輸出端口 A、/A，B和/B的直接輸出，可實現‘連續模式’驅動信號輸出；‘邏輯與’輸出邏輯，可以實現計數器11輸出的‘I’電平來控制PWM發生器的信號輸出，可實現輸出端口 A、/A,B和/B的‘脈沖模式’驅動信號輸出。計數器中斷模塊實現對PWM發生器到輸出端口 A、/A, B和/B的脈沖信號輸出的0°相位、脈沖組數、脈沖周期等精準控制。中斷服務在第二次中斷開始，令輸出總線邏輯器輸出為‘邏輯與’方式，由計 數器的輸出‘I’電平來控制輸出總線邏輯器的‘邏輯與’，令PWM發生器到輸出端口 A、/A，B和/B脈沖信號的脈沖個數為給定值；脈沖判斷如果脈沖組數值減一后等于零，關閉中斷退出，并令輸出總線邏輯器輸出為‘0’電平輸出邏輯，從而停止超聲電機的運行。周期判斷判斷如果脈沖個數發完，但脈沖周期值沒有結束，令輸出總線邏輯器處于‘0’電平輸出邏輯，使輸出端口 A、/A，B和/B輸出為‘0’電平，等待下一次中斷。圖3為PSoC分時調度系統原理框圖。系統初始化一完成對可編程數字單元API函數的參數配置、以及系統動態和靜態參數的預置。中斷設置——開放O. 5ms定時中斷，啟動分時調度系統的時間基準；開放串行通信模塊13串行口中斷，為RS232串行口接收數據作好準備；開放計數器11中斷，可以實現PWM發生器5和8到輸出端口 A、/A，B，/B脈沖信號輸出的0°相位、脈沖組數、脈沖周期等精準控制；開放全局中斷，允許定時和串行通信模塊13中斷開始工作。分時調度系統——按照O. 5ms基準時間的節拍，不間斷的通過RS232通訊口由UartRead ()函數，將超聲電機的工作頻率、脈沖個數、脈沖組數、脈沖周期等動態和靜態參數值，以及系統命令字下載到PSoC芯片，按O. 5ms基準時間的倍數，在程序SetSpeed ()、SetNumber ( )>SetGroup ()、SetCycle ()以及Run ()等函數中順序執行。系統分成脈沖和連續等兩種運行模式。圖5為PSoC脈沖中斷原理框圖。計數器11中斷程序實現對PWM發生器5和8到輸出端口 A、/A，B，/B脈沖信號輸出的0°相位、脈沖組數、脈沖周期等精準控制。中斷服務——在第二次中斷開始，令輸出總線邏輯器7和10輸出為‘邏輯與’方式，由計數器11的輸出‘I’電平來控制輸出總線邏輯器7和10的‘邏輯與’，令PWM發生器5和8到輸出端口 A、/A, B, /B脈沖信號的脈沖個數為給定值；脈沖判斷——如果脈沖組數值減一后等于零，關閉中斷退出，并令輸出總線邏輯器7和10輸出為‘0’電平輸出邏輯，從而停止超聲電機的運行。周期判斷——判斷如果脈沖個數發完，但脈沖周期值沒有結束，令輸出總線邏輯器7和10處于‘0’電平輸出邏輯，使輸出端口 A、/A，B和/B輸出為‘0’電平，等待下一次中斷。脈沖工作模式Run ()函數根據‘脈沖’系統命令字，輸出端口 A、/A, B, /B的相位均以0°相位開始和結束，使得超聲電機上的兩相每一個驅動脈沖都能夠是一個完整的周期；如圖4所示，保證了所合成的行波有完整的周期性，實現了直線型超聲電機納米級直線位移和旋轉型超聲電機亞角秒級旋轉角度分辨率，從而達到了精準控制的目的。驅動器所需的工作頻率、脈沖個數、脈沖組數、脈沖周期等參數通過串行通信模塊13下載。連續工作模式Run ()函數根據‘連續’系統命令字，超聲電機不間斷地運行，一直到Run ()函數收到‘停止’系統命令字為止。最后說明的是以上實施例子僅用于說明本實用新型而非限制，雖然對本實用新型進行了詳細的說 明，本領域的專業人員應當理解，對本實用新型的修改和等效置換，而不脫離本實用新型的精神和范圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍之內。
權利要求1.一種基于嵌入式芯片的超聲電機驅動控制器，其特征在于包括嵌入式可編程芯片PSoC (I)、第一驅動與匹配模塊(2)和第二驅動與匹配模塊(3);其中嵌入式可編程芯片PSoC (I)的輸出端分別與所述兩個驅動與匹配模塊的輸入端連接，所述兩個驅動與匹配模塊的輸出端分別與超聲電機(4)的輸入端連接。
2.根據權利要求I所述的基于嵌入式芯片的超聲電機驅動控制器，其特征在于所述嵌入式可編程芯片PSoC (I)包括計數器(11)、定時器(12)、串行通信模塊(13)、以及分別兩路同步正交的第一 PWM信號發生器(5)與第二 PWM信號發生器(8)、第一緩沖器(6)與第二緩沖器(9)、第一輸出總線邏輯器(7)與第二輸出總線邏輯器(10)；其中，所述第二 PWM 信號發生器(8)的信號輸出端分別與計數器(11)的信號輸入端、第二輸出總線邏輯器(10)連接；所述第一 PWM信號發生器的信號輸出端與所述第一輸出總線邏輯器(7)的信號輸入端連接； 所述計數器(11)的信號輸出端分別與所述兩個緩沖器的信號輸入端連接，所述第一緩沖器(6)的信號輸出端與第一輸出總線邏輯器(7)的信號輸入端連接，第二緩沖器(9)的信號輸出端與第二輸出總線邏輯器(10)的信號輸入端連接；所述第一輸出總線邏輯器(7)的信號輸出端與第一驅動與匹配模塊(2)的信號輸入端連接，第二輸出總線邏輯器(10)的信號輸出端與第二驅動與匹配模塊(3)的信號輸入端連接；所述串行通信模塊(13)與遠程控制端連接。
專利摘要本實用新型提供一種基于嵌入式芯片的超聲電機驅動控制器，屬于超聲電機驅動控制器領域。本實用新型包括嵌入式可編程芯片PSoC(1)、第一驅動與匹配模塊(2)和第二驅動與匹配模塊(3)；其中嵌入式可編程芯片PSoC(1)的輸出端分別與所述兩個驅動與匹配模塊的輸入端連接，所述兩個驅動與匹配模塊的輸出端分別與超聲電機(4)的輸入端連接。本實用新型通過對超聲電機驅動脈沖個數、脈沖組數、脈沖周期的精準控制，達到了對直線型超聲電機納米級直線位移和旋轉型超聲電機亞角秒級旋轉角度分辨率的精準脈沖驅動控制的目標。
文檔編號H02N2/06GK202364153SQ201120038428
公開日2012年8月1日 申請日期2011年2月15日 優先權日2011年2月15日
發明者孫志俊, 時運來, 朱華, 梁大志, 趙淳生 申請人:南京航空航天大學