專利名稱：基于數(shù)字信號處理芯片的超聲波電機(jī)線性驅(qū)動控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種對超聲波電機(jī)進(jìn)行控制的裝置，尤其是一種采用數(shù)字信號處理芯片(DSP)芯片及電源跟蹤技術(shù)的線性控制器。
超聲波電機(jī)作為控制元件，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性，利用精確的理論模型求取傳遞函數(shù)的傳統(tǒng)控制方法的其難度比大。例如等效電路法，就等效電路而言其參數(shù)的確定一直是超聲波電機(jī)研究的難題?，F(xiàn)在，在超聲波電機(jī)控制方面往往采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制法等現(xiàn)代控制方法，解決數(shù)學(xué)建模的難題。但這些控制方法軟件相對復(fù)雜，對控制系統(tǒng)的運(yùn)算性能要求高，一般的單片機(jī)難以達(dá)到要求，PC機(jī)盡管可以勝任，但對于產(chǎn)業(yè)化而言可行性不高。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，新型控制芯片DSP和可編程邏輯器件CPLD的普遍應(yīng)用，使得研制脫離PC機(jī)的高性能的超聲波電機(jī)控制器成為可能。
現(xiàn)在通常運(yùn)用ANSYS等有限元軟件對于超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)分析，其模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析得出的為單一頻率下的結(jié)果，不考慮諧波分量。在普遍采用的逆變升壓驅(qū)動電路，其結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，但驅(qū)動信號中則含有相當(dāng)比重的諧波分量。即使利用升壓變壓器阻抗匹配，使驅(qū)動信號變?yōu)檎也?，但因其原理為串?lián)諧振，當(dāng)電機(jī)溫度升高阻抗參數(shù)變化時，使得加在電機(jī)上的驅(qū)動電壓的波形和幅值發(fā)生變化。對于的高精度閉環(huán)控制系統(tǒng)而言，其輸出量應(yīng)當(dāng)具有明確的一一對應(yīng)關(guān)系，顯然上種電路則有一定的缺陷。
三、技術(shù)內(nèi)容1、技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種功耗低、具有自動調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)壓功能的基于數(shù)字信號處理芯片的超聲波電機(jī)線性驅(qū)動控制器。
2、技術(shù)方案一種基于數(shù)字信號處理芯片的超聲波電機(jī)線性驅(qū)動控制器，其特征在于該控制器包括直流調(diào)壓電路、功率電壓放大電路、正弦波函數(shù)發(fā)生電路、數(shù)字壓控振蕩器、DSP芯片、速度位置傳感器，其中，DSP芯片的輸出端分別接直流調(diào)壓電路、正弦波函數(shù)發(fā)生電路、數(shù)字壓控振蕩器的輸入端，數(shù)字壓控振蕩器的輸出端接正弦波函數(shù)發(fā)生電路的輸入端，正弦波函數(shù)發(fā)生電路和直流調(diào)壓電路的輸出端分別接功率電壓放大電路的輸入端，功率電壓放大電路的輸出端接超聲波電機(jī)，速度位置傳感器的輸入信號取自超聲波傳感器，輸出端接DSP芯片的輸入端，直流調(diào)壓電路由MOS開關(guān)管、電感線圈、濾波電容C5及續(xù)流二極管D5所組成，直流調(diào)壓電路的輸入端即MOS開關(guān)管的柵極與DSP芯片的輸出端即集成電路的輸出端“T1PWM”相接；直流調(diào)壓電路的輸出端即電感線圈與功率電壓放大電路的輸入端即晶體管的集電極相接，正弦波函數(shù)發(fā)生電路由集成電路U3～U11所組成，其輸入端即相位控制信號鎖存器U3、電壓控制信號鎖存器U4的“A0～A7”端以及2～4譯碼器U5的“A0～A1”端與DPS芯片的輸出端即“D0～D7”以及“A0～A1”端相接；正弦波函數(shù)發(fā)生電路的輸出端即D/A變換器U11的輸出端“O1、O2”與功率電壓放大電路的輸入端即晶體“Q1～Q4”的基極相接，數(shù)字壓控振蕩器由數(shù)字壓控振蕩器電路U2組成，其輸入端“SPI”與DSP芯片U1的“SPI”端相接，其輸出端“CLROUT”與正弦波函數(shù)發(fā)生電路中的A相計數(shù)器U6及B相計數(shù)器U7的“CLK”端相接，并通過反相器U10連接到A相EPROM存儲器U8和B相EPROM存儲器U9的CLK端，功率電壓放大電路由晶體管Q1～Q4、變壓器T1、T2、電容器C1～C4所組成，晶體管Q1、Q2的基極相連通過電容器C3作為一個輸入端，晶體管Q3、Q4的基極相連通過電容器C4作為另一個輸入端，晶體管Q1、Q2的輸出端通過變壓器T1與超聲波電機(jī)的輸入端相接，晶體管Q3、Q4的輸出端通過變壓器T2與超聲波電機(jī)的另一輸入端相接，速度位置傳感器的輸入信號取自超聲波電機(jī)，速度位置傳感器的輸出端接DSP芯片U1的“QEP”端。
3、技術(shù)效果本發(fā)明利用D/A變換得到兩相小信號正弦波，再經(jīng)信號放大以驅(qū)動電機(jī)。對于降低電路功耗，則采用電源跟蹤技術(shù)和并聯(lián)阻抗匹配技術(shù)。電路具有根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)自動調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)壓功能。
圖2是本發(fā)明的電路原理圖。
五、具體實(shí)施方案本發(fā)明的基于DSP的超聲波電機(jī)線性驅(qū)動控制器，包括直流調(diào)壓電路1、功率電壓放大電路2、正弦波函數(shù)發(fā)生電路3、數(shù)字壓控振蕩器4、DSP芯片5、速度位置傳感器M2，其中，DSP芯片5的輸出端分別接直流調(diào)壓電路1、正弦波函數(shù)發(fā)生電路3、數(shù)字壓控振蕩器4的輸入端，數(shù)字壓控振蕩器4的輸出端接正弦波函數(shù)發(fā)生電路3的輸入端，正弦波函數(shù)發(fā)生電路3和直流調(diào)壓電路1的輸出端分別接功率電壓放大電路2的輸入端，功率電壓放大電路2的輸出端接超聲波電機(jī)M1，速度位置傳感器M2輸入信號取自超聲波電機(jī)M1的輸出端接DSP芯片5的輸入端。
本發(fā)明電路中的主要元件為M1 行波形超聲波電機(jī) M2速度位置傳感器T1 A相升壓變壓器 T2B相升壓變壓器Q1 A相NPN功率管 Q3B相NPN功率管Q2 A相PNP功率管 Q4B相PNP功率管C5 濾波電容 L1濾波電感D5 肖特基二級管 Q5MOS開關(guān)管D(1-4) 整流橋S 交流電源U1 DSP芯片 U2數(shù)字壓控振蕩器U3 相位控制信號鎖存器U4電壓控制信號鎖存器U6 A相計數(shù)器 U7B相計數(shù)器U8 A相EPROM存儲器U9B相EPROM存儲器U10反相器U52-4譯碼器U11D/A變換器直流調(diào)壓電路1由MOS開關(guān)管Q5及電感線圈L1所組成，直流調(diào)壓電路1的輸入端即MOS開關(guān)管Q5的柵極與DSP芯片5的輸出端即集成電路U1的輸出端“T1PWM”相接；直流調(diào)壓電路1的輸出端即電感線圈L1與功率電壓放大電路2的輸入端即晶體管Q1的集電極相接，正弦波函數(shù)發(fā)生電路3由集成電路U3～U11所組成，其輸入端即相位控制信號鎖存器U3、電壓控制信號鎖存器U4的“A0～A7”端以及2～4譯碼器U5的“A0～A1”端與DPS芯片5的輸出端即“D0～D7”以及“A0～A1”端相接；正弦波函數(shù)發(fā)生電路3的輸出端即D/A變換器U11的輸出端“O1、O2”與功率電壓放大電路2的輸入端即晶體“Q1～Q4”的基極相接，數(shù)字壓控振蕩器4由數(shù)字壓控振蕩器電路U2組成，其輸入端“SPI”與DSP芯片U1的“SPI”端相接，其輸出端“CLROUT”與正弦波函數(shù)發(fā)生電路3中的A相計數(shù)器U6及B相計數(shù)器U7，并通過反相器U10連接到A相EPROM存儲器U8、B相EPROM存儲器U9的“CLK”端相接，功率電壓放大電路2由晶體管Q1～Q4、變壓器T1、T2、電容器C1～C4所組成，晶體管Q1、Q2的基極相連通過電容器C3作為一個輸入端，晶體管Q3、Q4的基極相連通過電容器C4作為另一個輸入端，晶體管Q1、Q2的輸出端通過變壓器T1超聲波電機(jī)M1的輸入端相接，晶體管Q3、Q4的輸出端通過變壓器T2與超聲波電機(jī)M1的另一輸入端相接，速度位置傳感器M2的輸入信號取自超聲波電機(jī)M1，速度位置傳感器M2的輸出端接DSP芯片U1的“QEP”端。
先請參見附

圖1，本發(fā)明控制部分的核心為DSP芯片，它通過正弦波函數(shù)發(fā)生電路實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動信號的頻率、相位和幅值的改變，從而控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)?？紤]到電路的工作效率，本發(fā)明的驅(qū)動部分則通過直流調(diào)壓器電路和功率電壓放大電路，利用電源跟蹤技術(shù)和并聯(lián)諧振技術(shù)，驅(qū)動電機(jī)，降低整個控制器的功耗。
附圖2所示行波形超聲波電機(jī)M1的驅(qū)動電壓要求為兩相正弦波，為了達(dá)到可用多種手段控制的目的，要求兩相相位差、幅值和頻率可調(diào)。并且具有速度位置反饋電路。由于DSP芯片U1是一種計算型微控制器，為了充分利用其強(qiáng)大的計算功能，DSP芯片在本控制電路中對外只負(fù)責(zé)發(fā)送頻率、相位和幅值的控制信號及接受反饋信號，其大部分內(nèi)部硬件資源用于算法的處理。兩相正弦波的生成則利用可編程邏輯器件和D/A變換器U11組成的正弦波函數(shù)發(fā)生電路來實(shí)現(xiàn)。通過D/A變換生成正弦波，其關(guān)鍵要做一張具有不同幅值的正弦波表，每一種幅值的表存放于一塊連續(xù)的存儲空間內(nèi)，不同幅值的正弦波表按幅值的大小連續(xù)分A、B兩相分別存放于EPROM存儲器U8、U9內(nèi)。利用數(shù)字計數(shù)器U6、U7連續(xù)地做地址循環(huán)掃描，經(jīng)過D/A變換器U11可以得到正弦信號，計數(shù)器的時鐘信號由數(shù)字壓控振蕩器U2給出。調(diào)壓，調(diào)相及與DSP通訊接口的具體電路，由8位電壓控制信號鎖存器U4、8位相位控制信號鎖存器U3、2-4譯碼器U5、A相計數(shù)器U6、B相計數(shù)器U7等數(shù)字電路組成，它們由一片CPLD芯片集成。
與DSP芯片U1的通訊接口電路由2-4譯碼器U5、電壓控制信號鎖存器U4和8位相位控制信號鎖存器U3組成。DSP芯片通過其IO空間完成與CPLD通訊。電路采用并行通訊方式。電壓控制信號鎖存器U4，8位相位控制信號鎖存器U3的輸入信號共同接到DSP芯片U1的IO空間的數(shù)據(jù)總線，其輸出分別接EPROM存儲器U8、U9的地址高8位和A相計數(shù)器U6的初值端，用來調(diào)壓和調(diào)相。2-4譯碼器U5作為地址譯碼器，輸入接IO空間的地址總線，輸出用來分別選通電壓控制信號鎖存器U4和相位控制信號鎖存器U3，以區(qū)分調(diào)壓控制信號和調(diào)相控制信號。
電路的調(diào)壓控制功能由電壓控制信號鎖存器U4完成。作為不同幅值的選通信號，電壓控制信號鎖存器U4的輸出接EPROM存儲器U8、U9地址的高8位。當(dāng)DSP芯片U1給出調(diào)壓指令時，電壓控制信號鎖存器U4可選通EPROM存儲器U8、U9中的相應(yīng)幅值的正弦波表，使經(jīng)D/A變換后的正弦信號幅值得到調(diào)整。
為了調(diào)相達(dá)到調(diào)相目的，本發(fā)明將一相的相位固定(B相)，作為基準(zhǔn)，調(diào)整另一相的相位。由于該電路正弦信號的發(fā)生，是通過計數(shù)器U6、U7對EPROM存儲器U8、U9中低8位的地址連續(xù)地做地址循環(huán)掃描產(chǎn)生的，經(jīng)D/A變換所的。8位A相計數(shù)器U6和8位B相計數(shù)器U7分別作用于A相信號和B相信號的發(fā)生。其中計數(shù)器U7為cascadable計數(shù)器，其特點(diǎn)是沒有置數(shù)端，它的計數(shù)初值為0，但當(dāng)它計數(shù)到最大值時輸出端Carry OUT端將產(chǎn)生高電平信號，并在計數(shù)器回零時復(fù)位。計數(shù)器U7的初值端連接到鎖存器U3的輸出端，置數(shù)(Load)端連接到從計數(shù)器U7的Carry OUT端。當(dāng)計數(shù)器U7從0開時計數(shù)時，計數(shù)器U6從的鎖存器的鎖存值開始計數(shù)，這樣就可以產(chǎn)生兩路具有相位差的正弦信號。當(dāng)DSP發(fā)出調(diào)相指令后，通過鎖存器U3，在一個周期內(nèi)可改變A相的相位。
計數(shù)器U6和U7的時鐘信號由數(shù)子壓控振蕩器U2提供。DSP芯片U1通過SPI口控制數(shù)字壓控振蕩器U2，產(chǎn)生頻率可變的時鐘信號，該信號成為計數(shù)器U6、U7的時鐘脈沖，這樣就產(chǎn)生了可調(diào)頻的正弦信號。
由于本發(fā)明驅(qū)動部分的設(shè)計核心思想為線性驅(qū)動，所以信號的功率電壓放大電路由A相NPN功率管Q1、A相PNP功率管Q2和B相NPN功率管Q3、B相PNP功率管Q4組成的線性功放電路和升壓變壓器T1、T2及直流調(diào)壓電路構(gòu)成。
電路功率放大部分由A相NPN功率管Q1、A相PNP功率管Q2和B相NPN功率管Q3、B相PNP功率管Q4組成兩對對管構(gòu)成，提供驅(qū)動信號的功率輸出。由于線性放大電路的特點(diǎn)，盡量減小輸出信號失真度，使三極管工作于線性放大區(qū)，則要求施加于A相NPN功率管Q1、A相PNP功率管Q2和B相NPN功率管Q3、B相PNP功率管Q4的集電極與發(fā)射極間的電壓絕對值Vce應(yīng)保持大于一定的值。另一方面，電路的損耗主要取決于功率三極管的管耗大小。三極管管耗與Vce及負(fù)載有關(guān)，當(dāng)Vce增加時管耗加大。所以在負(fù)載一定的情況下，當(dāng)Vce維持在一定范圍內(nèi)時，既可以使輸出信號波形限制在一定的失真范圍內(nèi)，又可以得到較高的電路工作效率。為了解決以上問題，本發(fā)明采用了電源跟蹤技術(shù)利用開關(guān)電源的Buck變換原理，組成直流調(diào)壓電路。當(dāng)輸入信號的幅值改變時，DSP芯片U1產(chǎn)生的相應(yīng)的PWM信號，控制MOS開關(guān)管Q5的導(dǎo)通與關(guān)斷時間比，調(diào)整電源的幅值，使功率電壓放大電路的電源電壓跟隨驅(qū)動電路輸入信號的峰峰值的變化而變化。
減小功率管管耗，提高電路工作效率的另一手段是改變驅(qū)動電路的負(fù)載特性，利用升壓變壓器T1、T2的激磁電流進(jìn)行容性電流補(bǔ)償。由于超聲波電機(jī)M1為容性負(fù)載，如果沒有電流補(bǔ)償，則電路回路中含有很大比重的容性電流，當(dāng)它流過功放電路時加大功率管Q1、Q2、Q3、Q4的管耗。本發(fā)明利用并聯(lián)諧振原理，進(jìn)行電流補(bǔ)償。電路中可采用鐵粉磁芯材料繞制的變壓器。鐵粉磁芯材料的導(dǎo)磁率低，飽和點(diǎn)高，用它繞制的變壓器可提供與電機(jī)并聯(lián)諧振時所需的激磁電流，同時也保證了變壓器輸入和輸出電壓幅值的恒定，不隨電機(jī)溫度升高參數(shù)變化而變化，從而使得控制信號與驅(qū)動信號有固定的一一對應(yīng)關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)字信號處理芯片的超聲波電機(jī)線性驅(qū)動控制器，其特征在于該控制器包括直流調(diào)壓電路(1)、功率電壓放大電路(2)、正弦波函數(shù)發(fā)生電路(3)、數(shù)字壓控振蕩器(4)、DSP芯片(5)、速度位置傳感器(M2)，其中，DSP芯片(5)的輸出端分別接直流調(diào)壓電路(1)、正弦波函數(shù)發(fā)生電路(3)、數(shù)字壓控振蕩器(4)的輸入端，數(shù)字壓控振蕩器(4)的輸出端接正弦波函數(shù)發(fā)生電路(3)的輸入端，正弦波函數(shù)發(fā)生電路(3)和直流調(diào)壓電路(1)的輸出端分別接功率電壓放大電路(2)的輸入端，功率電壓放大電路(2)的輸出端接超聲波電機(jī)(M1)，速度位置傳感器(M2)的輸入信號取自超聲波電機(jī)(M1)，輸出端接DSP芯片(5)的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字信號處理芯片的超聲波電機(jī)線性驅(qū)動控制器，其特征在于直流調(diào)壓電路(1)由MOS開關(guān)管(Q5)及電感線圈(L1)所組成，直流調(diào)壓電路(1)的輸入端即MOS開關(guān)管(Q5)的柵極與DSP芯片(5)的輸出端即集成電路(U1)的輸出端“T1PWM”相接；直流調(diào)壓電路(1)的輸出端即電感線圈(L1)與功率電壓放大電路(2)的輸入端即晶體管(Q1、Q3)的集電極相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于數(shù)字信號處理芯片的超聲波電機(jī)線性驅(qū)動控制器，其特征在于正弦波函數(shù)發(fā)生電路(3)由集成電路U3～U11所組成，其輸入端即相位控制信號鎖存器U3、電壓控制信號鎖存器U4的“A0～A7”端以及2～4譯碼器U5的“A0～A1”端與DPS芯片(5)的輸出端即“D0～D7”以及“A0～A1”端相接；正弦波函數(shù)發(fā)生電路(3)的輸出端即D/A變換器U11的輸出端“O1、O2”與功率電壓放大電路(2)的輸入端即晶體“Q1～Q4”的基極相接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字信號處理芯片的超聲波電機(jī)線性驅(qū)動控制器，其特征在于數(shù)字壓控振蕩器(4)由數(shù)字壓控振蕩器電路U2組成，其輸入端“SPI”與DSP芯片U1的“SPI”端相接，其輸出端“CLROUT”與正弦波函數(shù)發(fā)生電路(3)中的A相計數(shù)器U6及B相計數(shù)器U7的“CLK”端相接，并通過反相器U10連接到A相EPROM存儲器U8、B相EPROM存儲器U9的CLK端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字信號處理芯片的超聲波電機(jī)線性驅(qū)動控制器，其特征在于功率電壓放大電路(2)由晶體管Q1～Q4、變壓器T1、T2、電容器C1～C4所組成，晶體管Q1、Q2的基極相連通過電容器C3作為一個輸入端，晶體管Q3、Q4的基極相連通過電容器C4作為另一個輸入端，晶體管Q1、Q2的輸出端通過變壓器T1與超聲波電機(jī)(M1)的輸入端相接，晶體管Q3、Q4的輸出端通過變壓器T2與超聲波電機(jī)(M1)的另一輸入端相接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字信號處理芯片的超聲波電機(jī)線性驅(qū)動控制器，其特征在于速度位置傳感器(M2)的輸入信號取自超聲波電機(jī)(M1)，速度位置傳感器(M2)的輸出端接DSP芯片U1的“QEP”端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字信號處理芯片的超聲波電機(jī)線性驅(qū)動控制器，其特征在于變壓器T1、T2由鐵粉磁芯材料制成。
全文摘要
基于數(shù)字信號處理芯片的超聲波電機(jī)線性驅(qū)動控制器是一種對超聲波電機(jī)進(jìn)行控制的裝置，尤其是一種采用DSP及電源跟蹤技術(shù)的線性控制器，該控制器包括直流調(diào)壓電路1、功率電壓放大電路2、正弦波函數(shù)發(fā)生電路3、數(shù)字壓控振蕩器4、DSP芯片5、速度位置傳感器M2，其中，DSP芯片5的輸出端分別接直流調(diào)壓電路1、正弦波函數(shù)發(fā)生電路3、數(shù)字壓控振蕩器4的輸入端，數(shù)字壓控振蕩器4的輸出端接正弦波函數(shù)發(fā)生電路3的輸入端，正弦波函數(shù)發(fā)生電路3和直流調(diào)壓電路1的輸出端分別接功率電壓放大電路2的輸入端，功率電壓放大電路2的輸出端接超聲波電機(jī)M1，速度位置傳感器M2的輸入信號取自超聲波傳感器M1，輸出端接DSP芯片5的輸入端。
文檔編號H02N2/02GK1431762SQ03112679
公開日2003年7月23日 申請日期2003年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月15日
發(fā)明者胡敏強(qiáng), 王心堅(jiān), 顧菊平, 金龍, 秦申蓓, 莫岳平, 徐志科, 何小虎 申請人:東南大學(xué)