一种嵌入式超声电机驱动控制器制造技术

一种嵌入式超声电机驱动控制器，包括外部时钟、微控制器模块、功率放大及匹配模块、位置传感器接口模块、运动控制卡接口模块、电路保护模块、显示接口模块、通讯接口模块和电源转换单元模块，外部时钟为微控制器模块提供时间基准；微控制器模块产生的信号驱动待控制超声电机；位置传感器接口模块采集位置信息并反馈到微控制器模块；运动控制卡接口模块提供使能信号、位置指令信号和速度指令信号到微控制器模块；电路保护模块提供电机连接保护、过热、过压、欠压和过流保护；显示接口模块和通讯接口模块提供了驱动控制器的人机交互窗口。本驱动控制器具有通用性好、控制参数多元化和易集成多种控制模式的特点，便于实现对超声电机的高精度控制。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种超声电机驱动控制器，属于电机驱动控制领域。
技术介绍
超声电机是一种新型的微特电机，其结构及其运行原理不同于传统的电磁电机。超声电机主要利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体的一种超声振动，通过定子和转子之间的摩擦作用，把弹性体的亚微米级形变转换为动子的回转或直线运动。它具有低转速、力矩/质量比大、响应速度快、断电自锁、无电磁干扰等优点。能够满足现代自动化设备对运动装置提出的诸多新要求，在生物医学、半导体封装、武器装备和航空航天等领域有广阔的应用前景。超声电机需要由超声电机驱动控制器提供两路超声频率的高压正弦信号来驱动工作。专利号为ZL200710134453.3、名称为“基于嵌入式系统级芯片超声电机驱动控制器”的专利技术专利公开了一种超声电机驱动器，包括手动编码器调节电路、PSoC芯片、推挽逆变电路、升压电路、电感匹配电路等，该超声电机驱动控制器的优点是结构形式简单，采用孤极反馈法实现对超声电机的频率跟踪，并达到稳定电机转速的目的，但是存在控制精度低、匹配效果差以及能量转换效率低等缺点。专利号为ZL201210451717.9、名称为“一种超声电机双PWM功率驱动拓扑结构”的专利技术专利公开了一种超声电机双PWM功率驱动拓扑结构，该技术方案采用恒流供电和功率耦合组件，能够方便实现驱动频率、电压的调整，提高了驱动器的能量转换效率，但是易用性较差，在驱动方式和控制策略上描述较少。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种针对超声电机进行高精度控制的驱动控制器。所述驱动控制器以微控制器为核心，配备位置传感器接口模块、运动控制卡接口模块、显示接口模块以及通讯接口模块等，实现驱动控制器开环控制模式、闭环控制模式、位置指令控制模式和速度指令控制模式。为实现上述专利技术目的，本技术提供的技术方案如下：一种嵌入式超声电机驱动控制器，所述嵌入式超声电机驱动控制器包括外部时钟、微控制器模块和功率放大及匹配模块，其中所述外部时钟经过微控制器模块中的锁相环倍频后为微控制器模块中的系统时钟和外设时钟提供时钟信号；所述微控制器模块中的外设时钟信号为微控制器模块中的PWM1单元和PWM2单元提供时间基准，所述PWM1单元生成包括SIN、NSIN、SINA和SINB信号的A相方波信号，所述PWM2单元生成包括COS、NCOS、COSA和COSB信号的B相方波信号，其中，所述SIN和NSIN信号为一组互补方波信号，其占空比和频率可调，所述SINA和SINB信号为一组互补方波信号，其频率可调且占空比为50%，所述SIN和NSIN信号的频率为所述SINA和SINB信号的两倍，所述COS和NCOS信号为一组互补方波信号，其占空比和频率可调，所述COSA和COSB信号为一组互补方波信号，其频率可调且占空比为50%，所述COS和NCOS信号的频率为所述COSA和COSB信号的两倍；所述A相方波信号通过功率放大及匹配模块生成A相驱动信号驱动待控制超声电机，所述B相方波信号通过功率放大及匹配模块生成B相驱动信号驱动待控制超声电机。进一步地，所述功率放大及匹配模块包括一个驱动控制单元、四个功率驱动芯片、两个半桥变换器、两个推挽变换器、两个电感器、两个变压器和两个匹配电路，所述功率驱动芯片用于驱动功率场效应管，所述半桥变换器由两个功率场效应管串联得到，所述匹配电路通过在变压器次级线圈两端并联电容器实现，其中，驱动控制单元受电机连接状态信号控制，当超声电机与所述驱动控制器相连时，电机连接状态信号有效，继而使能驱动控制单元的输出；所述SIN和NSIN信号经驱动控制单元后分别输出到功率驱动芯片1，经所述功率驱动芯片1分别输出后驱动半桥变换器1中功率场效应管的栅极，所述半桥变换器1的输出与变压器1的初级线圈的中心端之间通过串联电感器1相连，所述SINA和SINB信号经驱动控制单元和功率驱动芯片2后用于驱动推挽变换器1中功率场效应管的栅极，推挽变换器1的两个功率场效应管的漏极分别连接到变压器1的初级线圈的首尾端，变压器1的输出端连接匹配电路1，匹配电路1的输出即为施加在待控制超声电机A相上的A相驱动信号；同理，B相方波信号COS、NCOS、COSA和COSB经由驱动控制单元、功率驱动芯片3和功率驱动芯片4、半桥变换器2、电感器2、推挽变换器2、变压器2和匹配电路2生成施加在待控制超声电机B相上的B相驱动信号。进一步地，所述嵌入式超声电机驱动控制器还包括位置传感器接口模块，所述位置传感器接口模块的输入连接位置传感器的输出信号，该信号可为RS422或TTL信号，所述位置传感器的输出信号经位置传感器接口模块中的光电耦合器隔离后，分别输出到微控制器模块中的速度检测单元和位置检测单元，用于检测被控制对象的速度和位置。进一步地，所述嵌入式超声电机驱动控制器还包括运动控制卡接口模块，所述运动控制卡接口模块包括位置反馈信号、使能信号、位置指令信号和速度指令信号。所述位置反馈信号输出当前被控制对象的位置，所述使能信号由外部提供，经光电耦合器隔离后输出到微控制器模块中使能端口，所述位置指令信号由外部提供，包括脉冲信号和方向信号，分别经光电耦合器隔离后输出到微控制器模块中位置指令检测单元，所述速度指令信号由外部提供，为模拟电压信号，经信号处理后，通过线性光电耦合器隔离后，输出到微控制器中模数转换单元。进一步地，所述嵌入式超声电机驱动控制器还包括保护模块，所述保护模块包括电机连接保护、过热保护、过压保护和欠压保护以及过流保护，其中所述电机连接保护通过检测电机连接状态信号是否有效来实现，在实际操作过程中，将电机连接线接头上与电机连接状态信号相对应的端口与信号地短接，当电机连接线接头与驱动控制器相连时，电机连接状态信号有效，继而使能功率放大及匹配模块中的驱动控制单元的输出，当电机连接线接头与驱动控制器断开连接时，功率放大及匹配模块中的驱动控制单元无输出；所述过热保护将温度传感器采集到的温度信号传输至微控制器模块中的温度控制单元，按照闭环控制算法将产生的控制信号经过功率放大后驱动风扇运行的转速，实现驱动控制器温度控制；所述过压和欠压保护通过检测外部电源的电压，经分压电路分压和运算放大器的处理后连接到微控制器模块中的模数转换单元，通过相应的算法控制驱动控制器在合适的工作电压范围内工作；所述过流保护通过检测外部电源输入到驱动控制器的电流，将产生的模拟信号经分压器分压和运算放大器处理后，连接到微控制器模块中模数转换单元。进一步地，所述嵌入式超声电机驱动控制器还包括显示接口模块，所述显示接口模块通过微控制器模块中的显示控制单元将所述驱动控制器的系统参数以及待控制超声电机的状态输出到显示器中，并通过显示接口模块中的手动编码器和按键设置控制参数。进一步地，所述嵌入式超声电机驱动控制器还包括通讯接口模块，所述通讯接口模块通过微控制器模块中的通讯控制单元将系统参数和待控制超声电机的状态传输到上位机中，用于驱动控制器的在线调试以及驱动控制器控制特性的优化。进一步地，所述嵌入式超声电机驱动控制器还包括电源转换模块，所述电源转换模块将内部电源转换为所述驱动控制器所需的+12V、+5V和+3.3V电源。本专利技术的嵌入式超声电机驱动控制器以微控制器为核心，通过微控制器生成方波信号，经过功率放大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种嵌入式超声电机驱动控制器，其特征在于：所述嵌入式超声电机驱动控制器包括外部时钟、微控制器模块和功率放大及匹配模块，其中所述外部时钟经过所述微控制器模块中的锁相环倍频后为所述微控制器模块中的系统时钟和外设时钟提供时钟信号；所述微控制器模块中的外设时钟信号为所述微控制器模块中的PWM1单元和PWM2单元提供时间基准，所述PWM1单元生成包括SIN、NSIN、SINA和SINB信号的A相方波信号，所述PWM2单元生成包括COS、NCOS、COSA和COSB信号的B相方波信号，其中，所述SIN和NSIN信号为一组互补方波信号，其占空比和频率可调，所述SINA和SINB信号为一组互补方波信号，其频率可调且占空比为50%，所述SIN和NSIN信号的频率为所述SINA和SINB信号的两倍，所述COS和NCOS信号为一组互补方波信号，其占空比和频率可调，所述COSA和COSB信号为一组互补方波信号，其频率可调且占空比为50%，所述COS和NCOS信号的频率为所述COSA和COSB信号的两倍；所述A相方波信号通过功率放大及匹配模块生成A相驱动信号驱动待控制超声电机，所述B相方波信号通过功率放大及匹配模块生成B相驱动信号驱动待控制超声电机。...

【技术特征摘要】
1.一种嵌入式超声电机驱动控制器，其特征在于：所述嵌入式超声电机驱动控制器包括外部时钟、微控制器模块和功率放大及匹配模块，其中所述外部时钟经过所述微控制器模块中的锁相环倍频后为所述微控制器模块中的系统时钟和外设时钟提供时钟信号；所述微控制器模块中的外设时钟信号为所述微控制器模块中的PWM1单元和PWM2单元提供时间基准，所述PWM1单元生成包括SIN、NSIN、SINA和SINB信号的A相方波信号，所述PWM2单元生成包括COS、NCOS、COSA和COSB信号的B相方波信号，其中，所述SIN和NSIN信号为一组互补方波信号，其占空比和频率可调，所述SINA和SINB信号为一组互补方波信号，其频率可调且占空比为50%，所述SIN和NSIN信号的频率为所述SINA和SINB信号的两倍，所述COS和NCOS信号为一组互补方波信号，其占空比和频率可调，所述COSA和COSB信号为一组互补方波信号，其频率可调且占空比为50%，所述COS和NCOS信号的频率为所述COSA和COSB信号的两倍；所述A相方波信号通过功率放大及匹配模块生成A相驱动信号驱动待控制超声电机，所述B相方波信号通过功率放大及匹配模块生成B相驱动信号驱动待控制超声电机。2.根据权利要求1所述的嵌入式超声电机驱动控制器，其特征在于：所述功率放大及匹配模块包括一个驱动控制单元、四个功率驱动芯片、两个半桥变换器、两个推挽变换器、两个电感器、两个变压器和两个匹配电路，所述功率驱动芯片用于驱动功率场效应管，所述半桥变换器由两个功率场效应管串联得到，所述匹配电路通过在变压器次级线圈两端并联电容器实现，其中，所述驱动控制单元受电机连接状态信号控制，当超声电机与所述驱动控制器相连时，电机连接状态信号有效，继而使能驱动控制单元的输出；所述SIN和NSIN信号经驱动控制单元后分别输出到功率驱动芯片1，经所述功率驱动芯片1分别输出后驱动半桥变换器1中功率场效应管的栅极，所述半桥变换器1的输出与变压器1的初级线圈的中心端之间通过串联电感器1相连，所述SINA和SINB信号经驱动控制单元和功率驱动芯片2后用于驱动推挽变换器1中功率场效应管的栅极，推挽变换器1的两个功率场效应管的漏极分别连接到变压器1的初级线圈的首尾端，变压器1的输出端连接匹配电路1，匹配电路1的输出即为施加在待控制超声电机A相上的A相驱动信号；同理，B相方波信号COS、NCOS、COSA和COSB经由驱动控制单元、功率驱动芯片3和功率驱动芯片4、半桥变换器2、电感器2、推挽变换器2、变压器2和匹配电路2生成施加在待控制超声电机B相上的B相驱动信号。3.根据权利要求1或2所述的嵌入式超声电机驱动控制器，其特征在于：所述嵌入式超声电机驱动控制器还包括位置传感器接口模块，所述位置传感器接口模块的输...

【专利技术属性】
技术研发人员：时运来，张军，冯森，娄成树，赵淳生，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32