專利名稱：一種基于嵌入式芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種輸出驅(qū)動脈沖信號精準(zhǔn)控制的超聲電機(jī)驅(qū)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(tài)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出驅(qū)動脈沖的精準(zhǔn)控制，屬于超聲電機(jī)驅(qū)動控制器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)是一種利用逆壓電效應(yīng)，彈性體振動和摩擦傳動原理的新型電機(jī)。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，超聲電機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、力矩/質(zhì)量比大、響應(yīng)速度快、停電自鎖、納米級分辨率、無電磁干擾等特點(diǎn)。超聲電機(jī)需要兩路正交相位的超聲頻率信號源來驅(qū)動。目前，已有的超聲電機(jī)驅(qū)動器通常提供的IO接口，供外部控制器(例如運(yùn)動控制卡等)來控制電機(jī)的啟動/停止和用模擬電壓來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。但是，無法實(shí)現(xiàn)納米級分辨率要求的輸出驅(qū)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(shù)目可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的要求?，F(xiàn)有專利技術(shù)“基于嵌入式系統(tǒng)級芯片超聲電機(jī)驅(qū)動控制器”(ZL200710134453. 3)，利用PSoC芯片的PWM模塊直接產(chǎn)生四路方波信號推動MOS管完成直流逆變，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，但是卻不能夠?qū)崿F(xiàn)輸出驅(qū)動脈沖相位和脈沖數(shù)目的精準(zhǔn)控制。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于嵌入式芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動控制器，通過PSoC芯片的可編程功能和脈沖數(shù)目控制算法，構(gòu)造超聲電機(jī)驅(qū)動器，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出驅(qū)動脈沖相位和脈沖數(shù)目的精準(zhǔn)控制，從而實(shí)現(xiàn)直線型超聲電機(jī)納米級直線位移和旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)亞角秒級旋轉(zhuǎn)角度分辨率的精準(zhǔn)脈沖驅(qū)動控制的目標(biāo)。本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的采用如下技術(shù)方案—種基于嵌入式芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動控制器,包括嵌入式可編程芯片PSoC、第一驅(qū)動與匹配模塊和第二驅(qū)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(qū)動與匹配模塊的輸入端連接，所述兩個驅(qū)動與匹配模塊的輸出端分別與超聲電機(jī)的輸入端連接。進(jìn)一步的，前述的基于嵌入式芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動控制器中，嵌入式可編程芯片PSoC包括計數(shù)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(fā)生器與第二 PWM信號發(fā)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(fā)生器的信號輸出端分別與計數(shù)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(fā)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(shù)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(qū)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(qū)動與匹配模塊的信號輸入端連接；所述串行通信模塊與遠(yuǎn)程控制端連接。進(jìn)一步的，前述的基于嵌入式芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動控制器中，計數(shù)器用于控制驅(qū) 動脈沖的輸出個數(shù)，該計數(shù)器的中斷模塊能用來控制脈沖組數(shù)以及脈沖周期。進(jìn)一步的，前述的基于嵌入式芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動控制器中，定時器產(chǎn)生O. 5ms時間基準(zhǔn)，用于嵌入式可編程芯片PSoC的分時調(diào)度系統(tǒng)的定時控制。進(jìn)一步的，前述的基于嵌入式芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動控制器中，串行通信模塊用于實(shí)現(xiàn)對輸出驅(qū)動頻率、脈沖個數(shù)、脈沖組數(shù)、脈沖周期等動/靜態(tài)參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置。本實(shí)用新型采用上述技術(shù)方案具有如下有益效果本實(shí)用新型通過對超聲電機(jī)驅(qū)動頻率、脈沖個數(shù)、脈沖組數(shù)、脈沖周期的精準(zhǔn)控制，達(dá)到了對直線型超聲電機(jī)納米級直線位移和旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)亞角秒級旋轉(zhuǎn)角度分辨率的精準(zhǔn)脈沖驅(qū)動控制的目標(biāo)。
圖I是基于PSoC芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動器；圖2是PSoC可編程數(shù)字單元鏈接電原理框圖；圖3是PSoC分時調(diào)度系統(tǒng)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(shí)施方案
以下結(jié)合附圖對技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述如圖I所示，超聲電機(jī)驅(qū)動控制器由嵌入式可編程芯片PSoC，驅(qū)動與匹配模塊PA-A和PA-B構(gòu)成。嵌入式可編程芯片PSoC輸出的兩路信號A和/A接端接驅(qū)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(qū)動與匹配模塊PA-B的輸入端。驅(qū)動與匹配模塊PA-A和PA-B的輸出端接超聲電機(jī)USM的輸入端。圖2為PSoC可編程數(shù)字單元鏈接電原理框圖。在PSoC Designer集成開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建本實(shí)用新型工程，構(gòu)建工程的用戶模塊和端口配置，用戶模塊和端口屬性的設(shè)置及初始化和用戶模塊與端口的鏈接等。本實(shí)用新型使用了兩組PWM信號發(fā)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(shù)器11、一組定時器12、一組串行通信模塊13等15個可編程數(shù)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(tǒng)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(fā)生器5和PWM信號發(fā)生器8的輸出頻率信號，決定了超聲電機(jī)的速度。計數(shù)器11的輸入時鐘來自于PWM信號發(fā)生器8的輸出信號，計數(shù)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(shù)。通過串行口可以動態(tài)改變計數(shù)器11的‘I’電平的脈沖寬度，也就實(shí)現(xiàn)了對超聲電機(jī)的輸出驅(qū)動脈沖個數(shù)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?qū)崿F(xiàn)輸出端口 A、/A，B，/B的輸出為‘0’電平；‘A’輸出邏輯，使PWM發(fā)生器5和8與輸出端口 A、/A，B和/B直接連接，可實(shí)現(xiàn)PWM發(fā)生器5和8到輸出端口 A、/A，B和/B的直接輸出，可實(shí)現(xiàn)‘連續(xù)模式’驅(qū)動信號輸出；‘邏輯與’輸出邏輯，可以實(shí)現(xiàn)計數(shù)器11輸出的‘I’電平來控制PWM發(fā)生器的信號輸出，可實(shí)現(xiàn)輸出端口 A、/A,B和/B的‘脈沖模式’驅(qū)動信號輸出。計數(shù)器中斷模塊實(shí)現(xiàn)對PWM發(fā)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(shù)、脈沖周期等精準(zhǔn)控制。中斷服務(wù)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(shù)器的輸出‘I’電平來控制輸出總線邏輯器的‘邏輯與’，令PWM發(fā)生器到輸出端口 A、/A，B和/B脈沖信號的脈沖個數(shù)為給定值；脈沖判斷如果脈沖組數(shù)值減一后等于零，關(guān)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(jī)的運(yùn)行。周期判斷判斷如果脈沖個數(shù)發(fā)完，但脈沖周期值沒有結(jié)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(diào)度系統(tǒng)原理框圖。系統(tǒng)初始化一完成對可編程數(shù)字單元API函數(shù)的參數(shù)配置、以及系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)參數(shù)的預(yù)置。中斷設(shè)置——開放O. 5ms定時中斷，啟動分時調(diào)度系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)；開放串行通信模塊13串行口中斷，為RS232串行口接收數(shù)據(jù)作好準(zhǔn)備；開放計數(shù)器11中斷，可以實(shí)現(xiàn)PWM發(fā)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(shù)、脈沖周期等精準(zhǔn)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(diào)度系統(tǒng)——按照O. 5ms基準(zhǔn)時間的節(jié)拍，不間斷的通過RS232通訊口由UartRead ()函數(shù)，將超聲電機(jī)的工作頻率、脈沖個數(shù)、脈沖組數(shù)、脈沖周期等動態(tài)和靜態(tài)參數(shù)值，以及系統(tǒng)命令字下載到PSoC芯片，按O. 5ms基準(zhǔn)時間的倍數(shù)，在程序SetSpeed ()、SetNumber ( )>SetGroup ()、SetCycle ()以及Run ()等函數(shù)中順序執(zhí)行。系統(tǒng)分成脈沖和連續(xù)等兩種運(yùn)行模式。圖5為PSoC脈沖中斷原理框圖。計數(shù)器11中斷程序?qū)崿F(xiàn)對PWM發(fā)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(shù)、脈沖周期等精準(zhǔn)控制。中斷服務(wù)——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(shù)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(fā)生器5和8到輸出端口 A、/A, B, /B脈沖信號的脈沖個數(shù)為給定值；脈沖判斷——如果脈沖組數(shù)值減一后等于零，關(guān)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(jī)的運(yùn)行。周期判斷——判斷如果脈沖個數(shù)發(fā)完，但脈沖周期值沒有結(jié)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(shù)根據(jù)‘脈沖’系統(tǒng)命令字，輸出端口 A、/A, B, /B的相位均以0°相位開始和結(jié)束，使得超聲電機(jī)上的兩相每一個驅(qū)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(shí)現(xiàn)了直線型超聲電機(jī)納米級直線位移和旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)亞角秒級旋轉(zhuǎn)角度分辨率，從而達(dá)到了精準(zhǔn)控制的目的。驅(qū)動器所需的工作頻率、脈沖個數(shù)、脈沖組數(shù)、脈沖周期等參數(shù)通過串行通信模塊13下載。連續(xù)工作模式Run ()函數(shù)根據(jù)‘連續(xù)’系統(tǒng)命令字，超聲電機(jī)不間斷地運(yùn)行，一直到Run ()函數(shù)收到‘停止’系統(tǒng)命令字為止。最后說明的是以上實(shí)施例子僅用于說明本實(shí)用新型而非限制，雖然對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說 明，本領(lǐng)域的專業(yè)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本實(shí)用新型的修改和等效置換，而不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種基于嵌入式芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動控制器，其特征在于包括嵌入式可編程芯片PSoC (I)、第一驅(qū)動與匹配模塊(2)和第二驅(qū)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(qū)動與匹配模塊的輸入端連接，所述兩個驅(qū)動與匹配模塊的輸出端分別與超聲電機(jī)(4)的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于嵌入式芯片的超聲電機(jī)驅(qū)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(shù)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(fā)生器(5)與第二 PWM信號發(fā)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(fā)生器(8)的信號輸出端分別與計數(shù)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(fā)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(shù)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(qū)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(qū)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(yuǎn)程控制端連接。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種基于嵌入式芯片的超聲電機(jī)驅(qū)動控制器，屬于超聲電機(jī)驅(qū)動控制器領(lǐng)域。本實(shí)用新型包括嵌入式可編程芯片PSoC(1)、第一驅(qū)動與匹配模塊(2)和第二驅(qū)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(qū)動與匹配模塊的輸入端連接，所述兩個驅(qū)動與匹配模塊的輸出端分別與超聲電機(jī)(4)的輸入端連接。本實(shí)用新型通過對超聲電機(jī)驅(qū)動脈沖個數(shù)、脈沖組數(shù)、脈沖周期的精準(zhǔn)控制，達(dá)到了對直線型超聲電機(jī)納米級直線位移和旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)亞角秒級旋轉(zhuǎn)角度分辨率的精準(zhǔn)脈沖驅(qū)動控制的目標(biāo)。
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(yōu)先權(quán)日2011年2月15日
發(fā)明者孫志俊, 時運(yùn)來, 朱華, 梁大志, 趙淳生 申請人:南京航空航天大學(xué)