一種超聲電機驅動器的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種超聲電機驅動器，包括處理模塊、兩相功率放大及匹配模塊、可控時鐘模塊、反饋信號采集模塊、電流檢測模塊；其中所述可控時鐘模塊輸出的時鐘信號經所述處理模塊處理后輸出至兩相功率放大及匹配模塊進行匹配處理，匹配后的時鐘信號驅動超聲電機工作，所述反饋信號采集模塊將采集到的超聲電機速度信號反饋至處理模塊，所述處理模塊將反饋的速度信號處理后，輸出控制信號至所述可控時鐘模塊，調節可控時鐘模塊的輸出時鐘，實現了電機轉速高性能、高穩定性的控制目標。
【專利說明】一種超聲電機驅動器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超聲電機驅動器，屬于超聲電機驅動控制領域。
【背景技術】
[0002]超聲電機是一種壓電陶瓷作動令彈性體產生亞微米級變形的周期性行波，再通過摩擦力做功的電機。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。
[0003]超聲電機需要由超聲電機驅動器提供兩路正交相位的超聲頻率來驅動工作。目前，已有的全分立元器件的超聲電機驅動器，可以實現電機的啟動/停止和調速，但是不能實現與上位機的通信，采用分立元件使得驅動器的體積比較大。超聲電機在工作中，接近共振點時功耗增加、電流增大，如果沒有保護會損壞電機或驅動器。
[0004]國家知識產權局，專利號為200710134453.3，專利名稱為“基于嵌入式系統級芯片超聲電機驅動控制器”的專利文件，公開了一種超聲電機驅動器，包括依次連接的手動編碼器調節電路、PSoC芯片、推挽逆變電路、升壓電路、電感匹配電路，還包括分別與PSoC芯片、超聲電機連接的孤極整流濾波電路，該專利解決了上述驅動器體積大的問題，采用孤極反饋法實現對驅動電機頻率的跟蹤，以達到穩定電機轉速的目的。
[0005]該專利公開的驅動器是單純以嵌入式微處理器作為核心的驅動控制器，屬于數字式驅動器，雖然有效解決了模擬式驅動器無法實現與上位機通信、數字控制等缺點，但是由于數字式驅動器工作頻率不能無限制增加，所以在接近電機工作的共振點時，存在頻率分辨率不足、分散等缺點，因此控制頻率無法做到很精細，導致此類控制器控制精度低，同時分頻比微小的變動會使得電機的轉速波動很大，影響了電機轉速的穩定性。

【發明內容】

[0006]本發明所要解決的技術問題是:提供一種超聲電機驅動器，在數字式超聲電機驅動器的基礎上增加壓控振蕩器及反饋信號采集模塊，使得該超聲電機驅動器實現閉環控制模式，實現連續實時的輸出時鐘頻率信號調節，解決了電機轉速穩定性的問題。
[0007]本發明為解決上述技術問題，采用如下技術方案:
一種超聲電機驅動器，包括處理模塊、兩相功率放大及匹配模塊；還包括可控時鐘模塊、反饋信號采集模塊；其中所述可控時鐘信號輸出的時鐘信號經所述處理模塊處理后輸出至兩相功率放大及匹配模塊進行匹配處理，匹配處理后的時鐘信號驅動超聲電機工作，所述反饋信號采集模塊將采集到的超聲電機速度信號反饋至處理模塊，所述處理模塊將反饋的速度信號處理后，輸出至所述可控時鐘模塊的控制端，調節可控時鐘模塊的輸出時鐘。
[0008]為了進一步解決電機過流保護問題，還包括電流檢測模塊，所述電流檢測模塊實時檢測兩相功率放大及匹配模塊的輸出電流，并將檢測到的電流信號輸出至所述處理模塊。
[0009]為了更進一步解決超聲電機轉速波動大、正反轉轉速不一致的問題，還包括正反轉補償模塊，所述正反轉補償模塊將反饋的速度信號轉化為正、反轉控制信號輸出至所述處理模塊。
[0010]所述處理模塊包括PWM模塊、運放比較模塊；其中可控時鐘模塊的輸出端與所述PWM模塊輸入端連接；所述PWM模塊的輸出端與所述兩相功率放大及匹配模塊的輸入端連接；所述運放比較模塊的輸入端與所述反饋信號采集模塊的輸出端連接；所述運放比較模塊輸出端與所述可控時鐘模塊的控制端連接；所述運放比較模塊將所述反饋的速度信號與預先設定的參考信號進行比較運放后輸出控制信號至可控時鐘模塊。
[0011]還包括參考電壓調節模塊，所述電壓比較模塊包括兩個輸入端，其中一個輸入端與所述反饋信號采集模塊的輸出端連接，另一個輸入端與所述參考電壓調節模塊的輸出端連接。
[0012]所述可控時鐘模塊為壓控振蕩器。
[0013]所述反饋的速度信號為超聲電機本身的孤極信號或電機轉速信號。
[0014]與現有技術相比，本發明具有如下有益效果:
本發明在基于嵌入式微處理器芯片的超聲電機驅動器的基礎上，增加了可控時鐘模塊及反饋信號采集模塊，所述嵌入式微處理器芯片對可控時鐘模塊的輸出頻率進行處理后控制超聲電機工作，同時反饋信號采集模塊采集超聲電機速度信號反饋至可控時鐘模塊的輸入端，控制壓控振蕩器的輸出頻率，形成閉環控制，實時調節超聲電機的驅動時鐘信號，達到了電機轉速高性能、高穩定性的控制目標。
[0015]增加了電流檢測和保護，實現了電機驅動過程中過流保護。
[0016]增加了正反轉補償電路，解決了超聲電機轉速波動大、正反轉轉速不一致的問題。
[0017]增加了電壓調節電路，可根據用戶需要實時調節參考電壓，方便外部手動調節。
[0018]可通過多種方式采集反饋的速度信號，結構簡單，方便操作，精確度高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發明嵌入式微處理器和壓控振蕩器集成的原理圖。
[0020]圖2為本發明電流保護電路原理框圖。
[0021]圖3為本發明反饋信號調節及正反轉補償原理圖。
[0022]圖4為本發明采用PSOC嵌入式微處理器的實現原理圖。
[0023]圖5為本發明沒有內置運算放大器的嵌入式微處理器的實現原理圖。
[0024]圖6為本發明電機需用PWM信號控制流程圖。
[0025]圖7為本發明微處理器與上位機通信流程圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明:
本控制器可控時鐘模塊采用壓控振蕩器。
[0027]如圖1所示，一種超聲電機驅動器，包括嵌入式微處理器、壓控振蕩器、兩相功率放大及匹配模塊、反饋信號采集模塊、電流檢測模塊、正反轉補償模塊、開關、工作指示模塊、參考電壓調節模塊、UART接口模塊；其中，所述嵌入式微處理器包括時鐘模塊、PWM模塊、運放比較模塊、UART模塊；所述兩相功率放大及匹配模塊為Sin相功率放大及匹配模塊和Cos相功率放大及匹配模塊；所述壓控振蕩器輸出與時鐘模塊的輸入信號連接,為時鐘模塊提供連續的時鐘信號；所述時鐘模塊輸出與PWM模塊輸入連接；所述PWM模塊輸出信號分別與Sin相功率放大及匹配模塊、Cos相功率放大及匹配模塊的輸入端連接；所述Sin相功率放大及匹配模塊、Cos相功率放大及匹配模塊的輸出端與超聲電機M輸入端連接；時鐘信號經匹配處理后驅動超聲電機工作；超聲電機M輸出端與反饋信號采集模塊輸入端連接，反饋信號采集模塊輸出端分別與運放比較模塊的一個輸入端、正反轉補償模塊輸入端連接；運放比較模塊的另一個輸入端與參考電壓調節電路連接；運放比較模塊的輸出端與所述壓控振蕩器的輸入端連接，形成閉環控制電路；所述反饋信號采集模塊將采集到的超聲電機速度信號反饋至嵌入式微處理器，所述嵌入式微處理器將反饋的速度信號轉化成電壓信號并與預先設定的參考電壓信號進行運放比較后，輸出控制信號至所述壓控振蕩器，調節壓控振蕩器的輸出時鐘。
[0028]所述電流檢測模塊的輸入端分別與所述兩相功率放大及匹配模塊的Sin相功率輸出、Cos相功率輸出連接，所述電流檢測模塊的輸出端與所述處理模塊的過流保護模塊輸入端連接。
[0029]所述正反轉補償模塊的兩路輸出信號分別與開關模塊的CW、CCff端連接；所述開關模塊的CW、CCW端與嵌入式微控制器連接；所述開關模塊可手動操作，發出正轉和反轉指令；所述工作指示模塊與嵌入式微處理器連接，指示工作狀態；所述UART模塊與UART接口連接，與外部信號傳輸。
[0030]如圖2所示，本實施例電流檢測模塊包括電流傳感器，所述電流傳感器的輸入端分別與所述兩相功率放大及匹配模塊的Sin相功率輸出、Cos相功率輸出連接，所述電流傳感器的輸出端與所述處理模塊的過流保護模塊輸入端連接；所述電流傳感器與處理模塊采用共同的電源供電。
[0031]電流傳感器實時采集電機工作電流，并把采集到的電流信號輸入嵌入式微處理器的過流保護模塊，該模塊根據設定電流值通過內部邏輯的設計，在電機過流時，控制切斷PWM的輸出信號，保護電機和驅動器。
[0032]如圖3所示，包括反饋信號采集電路及正反轉補償電路，其中反饋信號采集電路將電機估計孤極反饋信號FBin采集處理后分為兩路，一路與嵌入式微處理器連接，另一路與正反轉補償電路連接。
[0033]電機孤極反饋信號FBin經電阻R21與GND連接，且FBin經過二極管D7后分別與電容C19的一端、電阻R22的一端連接；所述電阻R22的另一端與可調電阻VRl的一個接線端連接、可調電阻VRl的另一接線端與電阻R23的一端連接；電容C19的另一端、電阻R23的另一端分別與GND連接；可調電阻VRl的調節端經過二極管D8后分別與電阻R24、R25、C20的一端連接；電阻R24、C20的另一端分別與GND連接；電阻R25的另一端作為反饋信號采集模塊的輸出端，反饋信號采集模塊的輸出信號通過電阻R26將反饋信號FB輸入至嵌入式微處理器，同時反饋信號采集模塊的輸出端與可調電阻VR2的調節端連接；可調電阻VR2的兩個接線端分別與電阻R29、R30 一端連接；電阻R29的另一端與三極管Q5的集電極連接；電阻R30的另一端與三極管Q6的集電極連接；三極管Q5、Q6的發射極分別與GND連接；三極管Q5的基極經過電阻R27與所述開關模塊的CW端連接；三極管Q6的基極經過電阻R28與所述開關模塊的CCW端連接。[0034]如圖4所示，當采用嵌入式PSOC微處理器時，PSOC內部硬件資源配置如下:壓控振蕩器產生的信號通過PSOC的數字輸入引腳進入兩個帶死區的PWM模塊，PWM模塊在初始化中設定好分頻比、占空比和死區大小，再通過控制使能信號EN使其同步。如果接收到開關提供的CW或CCW信號則使能PWM輸出，從而嵌入式微處理器的數字輸出引腳產生SinA、SinB, CosA和CosB四路電機驅動信號，SinA、SinB與A相功率放大匹配電路連接，CosA、CosB與B相功率放大匹配電路連接，A、B相功率放大匹配電路輸出與超聲電機M連接；如嵌入式微處理器未接收到CW或CCW信號，則PWM輸出引腳為低電平。對于有孤極反饋的超聲電機，其運行后在孤極產生的孤極反饋信號經反饋信號采集及正反轉補償電路處理后經過電阻R2與電容C2組成的并聯電路后通過PSOC的模擬輸入引腳進入其內部的模擬運算放大器負輸入端，該信號與參考電壓調節模塊產生的電壓比較，并且經由電阻R1、電容Cl、電阻R2和電容C2形成的模擬PID調節器運算后產生一個電壓控制信號，該電壓控制信號經由PSOC的模擬輸出引腳輸出后施加于壓控振蕩器的電壓輸入端，從而形成一個轉速閉環調節回路。
[0035]使能信號EN能夠保證PSOC的兩個PWM模塊產生的兩相輸出頻率信號的正交性。
[0036]壓控振蕩器產生的頻率信號經由PSOC的PWM模塊分頻分相后產生的輸出頻率信號，決定了超聲電機的轉速。
[0037]當驅動器加電以后，嵌入式微處理器沒有收到開關模塊提供的CW或CCW信號時工作指示模塊中的LED燈以較低可見頻率閃爍，表示嵌入式微處理器工作正常。當嵌入式微處理器收到開關模塊提供的CW或CCW信號時工作指示模塊的LED燈以較高可見頻率閃爍，表不嵌入式微處理器有電機驅動信號輸出。
[0038]如圖5所示，對于有內置PWM模塊，而沒有內置運放比較模塊的嵌入式微處理器，可以外加一個運算放大器來作為閉環控制器。
[0039]對于帶有內置PWM模塊的嵌入式微處理器，需采用圖6中所述的步驟對嵌入式微處理器外部管腳和PWM模塊進行初始化，上電開始后，首先初始化系統變量及PWM輸入端口，PWM輸出端口置低電平；其次，將PWM使能信號EN置為低電平，設置兩個PWM模塊的分頻比、占空比和死區大小，PWM使能信號EN置高電平；然后，初始化PSOC內部的模擬運算放大器模塊INSAMP ;最后，根據開關CW和CCW信號開放PWM輸出端口，以及改變電機的旋轉方向，重復執行最后一步。
[0040]實現與上位機的通信，則需采用圖7所述的步驟，嵌入式微處理器收到通信數據后，對數據進行解碼，根據解碼后的命令要求控制電機的正轉、反轉、停止等，同時再把監視數據傳回上位機，結束通信。
[0041]采用超聲電機本身的孤極信號或編碼器、速度傳感器測得的電機轉速信號作為反饋的速度信號，可通過多種方式采集反饋的速度信號，結構簡單，方便操作，精確度高。
[0042]最后說明的是:以上實施例子僅用于說明本發明而非限制，雖然對本發明進行了詳細的說明，本領域的專業人員應當理解，對本發明的修改和等效置換，而不脫離本發明的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍之內。
【權利要求】
1.一種超聲電機驅動器，包括處理模塊、兩相功率放大及匹配模塊；其特征在于:還包括可控時鐘模塊、反饋信號采集模塊；其中所述可控時鐘模塊輸出的時鐘信號經所述處理模塊處理后輸出至兩相功率放大及匹配模塊進行匹配處理，匹配處理后的時鐘信號驅動超聲電機工作，所述反饋信號采集模塊將采集到的超聲電機速度信號反饋至處理模塊，所述處理模塊將反饋的速度信號處理后，輸出至所述可控時鐘模塊的控制端，調節可控時鐘模塊的輸出時鐘。
2.根據權利要求1所述的超聲電機驅動器，其特征在于:還包括電流檢測模塊，所述電流檢測模塊實時檢測兩相功率放大及匹配模塊的輸出電流，并將檢測到的電流信號輸出至所述處理模塊。
3.根據權利要求1或2所述的超聲電機驅動器，其特征在于:還包括正反轉補償模塊，所述正反轉補償模塊將反饋的速度信號轉化為正、反轉控制信號輸出至所述處理模塊。
4.根據權利要求3所述的超聲電機驅動器，其特征在于:所述處理模塊包括PWM模塊、運放比較模塊；其中可控時鐘模塊的輸出端與所述PWM模塊輸入端連接；所述PWM模塊的輸出端與所述兩相功率放大及匹配模塊的輸入端連接；所述運放比較模塊的輸入端與所述反饋信號采集模塊的輸出端連接；所述運放比較模塊輸出端與所述可控時鐘模塊的控制端連接；所述運放比較模塊將所述反饋的速度信號與預先設定的參考信號進行比較運放后輸出控制信號至可控時鐘模塊。
5.根據權利要求4所述的超聲電機驅動器，其特征在于:還包括參考電壓調節模塊，所述電壓比較模塊包括兩個輸入端，其中一個輸入端與所述反饋信號采集模塊的輸出端連接，另一個輸入端與所述參考電壓調節模塊的輸出端連接。
6.根據權利要求1、2、4或5所述的超聲電機驅動器，其特征在于:所述可控時鐘模塊為壓控振蕩器。
7.根據權利要求6所述的超聲電機驅動器，其特征在于:所述反饋的速度信號為超聲電機本身的孤極信號或電機轉速信號。
【文檔編號】H02N2/14GK103427707SQ201310294004
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年7月15日 優先權日:2013年7月15日
【發明者】潘松, 菅磊, 吳文才, 朱華, 趙淳生 申請人:南京航空航天大學