CN101383566A - 一种基于arm的超声波电机嵌入式驱动控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用ARM微控制器和uC/OS－II嵌入式实时操作系统的嵌入式控制器，以控制超声波电机。本发明触摸屏、键盘接ARM微控制器触摸屏接口、键盘接口；ARM微控制器输出接波形发生电路、电压控制电路的输入端二者输出接功率电压放大电路，其输出接超声波电机M1，光电编码器M2与超声波电机M1同轴设置，光电编码器M2输出端接ARM微控制器的输入端。本发明解决了开关电源技术存在的硬件部分较为复杂，需专用芯片和外围电路、功耗较大；以及正弦波信号直接放大输入超声波电机存在的成本高、性价比差等缺陷。本发明具有外围电路简单、成本低、能够通过人性化的人机交互实现超声波电机的速度与定位控制，实时地在液晶显示器上显示电机的运行状态和运行曲线。

Description

一种基于ARM的超声波电机嵌入式驱动控制器

技术领域

本发明是一种对超声波电机进行控制的装置，尤其是涉及一种采用ARM微控制器和uC/OS-II嵌入式实时操作系统的嵌入式控制器，以控制超声波电机。

背景技术

超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应激发的超声振动作为驱动力，靠振动部分和移动部分之间的摩擦力耦合转换成移动体的旋转或者直线运动的新型直接驱动微电机。它的特殊结构和驱动原理决定了它的传递函数是非线性的。超声波电机利用定转子之间的摩擦驱动，而定转子之间的相对滑动摩擦系数不能确定，而且电机谐振频率会随着连续运行时间的增加、温度的升高而变化，同时由于压力和摩擦驱动转矩沿定子环的分布性，超声波电机本身呈现出复杂的非线性。并且由于超声波电机的基本结构及工作原理与传统的电磁电机完全不同，理论上的动态及静态数学模型难以建立，而传统的控制策略并不适用于超声波电机的控制。

在本发明之前，纵观国内外对超声波电机驱动控制的研究，其实现的方法大体分为两大类:一类是利用开关电源技术，由逆变来实现电压的升压、能量传递、阻抗匹配和电源隔离，这种方法目前在国内的行波型超声波电机驱动中使用比较广泛；但是，这种方法存在着硬件部分较为复杂，需要专用芯片和外围电路组成波形发生模块，导致整个驱动控制系统的功耗较大等缺陷；另一类是采用正弦波信号直接放大输入超声波电机。这种方法目前采用直接数字合成技术(DDS)，以模拟放大电路为基础来实现。它们的控制内核大都采用单片机，也有的采用数字信号处理器DSP；虽然这种方法实现控制算法简单灵活，但成本太高，性价比差，无法广泛应用。

发明内容

本发明的目的就是克服上述缺陷，提供一种基于ARM的超声波电机嵌入式驱动控制器。

本发明的技术方案是:

一种基于ARM的超声波电机嵌入式驱动控制器，其主要技术特征在于触摸屏、键盘分别接ARM微控制器的触摸屏接口、键盘接口；ARM微控制器输出端分别接波形发生电路、电压控制电路的输入端；波形发生电路、电压控制电路的输出端都接到功率电压放大电路的输入端；功率放大电路的输出端接超声波电机M1，光电编码器M2与超声波电机M1同轴设置，光电编码器M2输出端接ARM微控制器的输入端。

本发明的优点和效果在于外围电路简单、成本低、能够通过人性化的人机交互实现超声波电机的速度与定位控制。本发明利用控制环形计数器的时钟脉冲频率得到四路频率可编程控制的，相位依次相差90度的脉冲信号，再经过变压器耦合逆变放大技术得到两路相位相差90度、频率可控的交流方波信号驱动电机。同时，采用uC/OS-II实时操作系统对控制系统的各个模块子任务进行调度，并利用uC/GUI所提供的丰富的控件功能，提供了简洁、友好的人机交互界面，具有根据电机的运行状态自动调频、调压功能，同时能够实时地在液晶显示器上显示电机的运行状态和运行曲线。

本发明的其它优点和效果将在下面继续说明。

附图说明

图1——本发明控制器的结构原理方框示意图。

图2——本发明的具体电路原理图。

具体实施方式

ARM微控制器是一种基于精解指令集计算机(RISC)原理而设计的高端微控制器，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。这样的简化实现了高的指令吞吐量、出色的中断响应、小的高性价比的处理器宏单元，上可跑操作系统，下可做实时控制使用。这些优点使得基于ARM的控制系统能够轻松运行复杂的控制算法，实现更加精确的控制，这是普通单片机所不能完成的。与DSP相比，DSP主要是用来计算的，比如进行加密解密、调制解调等，优势是强大的数据处理能力和较高的运行速度。而ARM微控制器具有比较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面，更加适合于工业控制、电机驱动等。另外，ARM微控制器架构是面向低预算市场设计的，成本要比DSP低得多。

因此，本发明就是用它来实现本发明目的的。

ARM微控制器3是整个驱动控制器的核心部分，它的作用是接受光电编码器M2的速度位置反馈信号，运行算法，输出频率、转向和起停控制字以及PWM脉冲，通过调整脉冲占空比实现调压功能。波形发生电路4由一系列芯片组成，主要有:D/A转换器AD7541，V/F转换器AD654和环形计数器CD40194。它的作用是接收频率控制字信号，经D/A转换成相应电压，再经V/F转换成可编程控制的频率信号，该信号作为CD40194的脉冲信号，产生四路相位依次差90度的脉冲信号。功率电压放大电路6包括一个半桥驱动芯片IR2103和变压器，通过耦合逆变将四路脉冲转换成两路相位差90度的交流方波脉冲信号。因为电机近似于容性负载，所以加上电机后，驱动信号就近似于正弦波信号。ARM微控制器3通过计算限定时间内光电编码器M2反馈的脉冲个数得出速度和位置信息。ARM微控制器通过4×4键盘1和触摸屏2输入电机控制参数和运行状态。

下面详细说明本发明。

如图1所示:

触摸屏1、4×4键盘2分别接ARM微控制器3的触摸屏接口、键盘接口，ARM微控制器3是采用的S3C44BOX系列芯片，其主频高达66MHz，具有0.9MIBPS的指令执行速度，为复杂算法的加载提供了硬件基础，它有71个通用输入输出口，本发明正是利用其中的16位GPIO与外围部件并行传输数据，它内部的定时器及PWM模块由5个PWM定时器和1通道内部定时器组成，可以用来对外部脉冲定时计数和产生PWM波形；ARM微控制器3输出端GPIO(GPC0～15)接波形发生电路4以提供频率、方向控制字。ARM微控制器3输出端定时器及PWM模块连接电压控制电路5的输入端以提供PWM波形，波形发生电路4和电压控制电路5的输出端都接到功率电压放大电路6的输入端，功率电压放大电路6的输出端接超声波电机M1，速度位置反馈信号取自与超声波电机M1同轴设置的光电编码器M2，光电编码器M2的输出端接ARM微控制器3的输入端定时器及PWM模块，通过定时器5对脉冲计数。+12V的直流信号经过电感电容得到稳定的+12V的直流信号，再经过LM7805稳压管可以输出稳定的+12V和+5V信号，为各个集成电路提供电源信号。

如图1、图2所示:

波形发生电路4由并口D/A转换器U3、三输入端或非门U4、施密特触发器U9、伏频转换器U10和环形计数器U7组成。并口D/A转换器U3接收ARM微控制器3传输的12位数据信息产生0～5V之间变化的电压，该电压经伏频转换器U10转换可得到频率对应电压比例变化的脉冲信号。三输入端或非门U4与环形计数器U7连接构成顺序脉冲发生器，在经伏频转换器U10转换得到的频率信号驱动下得到四路相位依次相差90度的脉冲信号Q0～Q3，其中Q2、Q3经U9反向，得到Y2、Y3，Y2与Q0组成a相，Y3与Q1组成b相，得到新的两相四路脉冲信号。

功率电压放大电路6由N沟道增强型场效应管Q2～Q5，耦合升压变压器T1、T2、肖特基二极管D1～D4和驱动电路U5、U6组成。a相两路脉冲信号接U5输入端，b相两路脉冲信号接驱动电路U6输入端，驱动电路U5、驱动电路U6的输出端接Q2～Q5的栅极，Q2～Q5源极和漏极与耦合升压变压器T1、T2的输入端相连接。通过驱动电路U5、驱动电路U6的输入输出逻辑转换、Q2～Q5的选通控制和T1、T2的耦合逆变与放大得到A、B两路交流方波信号。IR2103 MOSFET驱动电路U5、U6。

电压控制电路5由光电耦合集成芯片U2，PNP三极管Q1和其他电阻电容组成。光电耦合集成芯片U2的输入端接ARM微控制器3的定时器及PWM模块，接收其产生的PWM信号。其内部的三级管集电极和发射极分别接三极管Q1的发射极和基极。三极管Q1的集电极作为信号输出端输出voltage信号，该信号作为可受PWM波占空比控制的直流电压，接到耦合升压变压器T1，T2的电源端可以起到电压控制的作用。

光电编码器M2的输出端接波形发生电路4中的施密特触发器U9的输入端，U9输出fout信号。fout是光电编码器输出的脉冲信号经整形、反相后的脉冲信号，该信号接ARM微控制器3的TCLK输入端，通过ARM微控制器3的定时器及PWM模块的定时器5对外部脉冲的定时计数可以计算出电机的速度与位置。ARM微控制器3片内ROM可以存储超声波电机M1所停止的位置，便于下一次超声波电机M1的定位。ARM微控制器3内部的LCD控制器可支持触摸屏1输入和LCD显示。

超声波电机M1的驱动电压要求为两相正弦波。因为超声波电机M1本身呈容性，所以驱动信号可以为方波信号，这样就降低了驱动电路的设计难度。ARM微控制器3的控制信号GPC0～GPC11经过并口D/A转换器U3转换成幅度可控的直流电压信号。因为基准电压取+5V，所以输出电压范围为0～5V。该电压信号经过运放后连接频转换器U10的输入端，从而转换成频率可控的脉冲信号，该信号作为环形计数器U7的时钟信号。环形计数器U7与波形发生电路4中的施密特触发器U9构成可以自启动的顺序脉冲发生器，在时钟信号驱动下产生四路相位依次相差90度的脉冲信号。这四路信号的其中两路经波形发生电路4中的施密特触发器U9反相后与其余两路相位差相差180度，两两组各成一相。以上构成了弱电部分。每一相脉冲经过驱动电路U5或U6，作电压的初步放大，成为12V的方波信号，再经过耦合升压变压器T1或T2成为交流方波信号，两相相位差90度。该信号可以作为超声波电机M1的驱动信号。光电编码器M2通过计算限定时间内的脉冲个数得出超声波电机M1速度和位置信息，并反馈给ARM微控制器3。ARM微控制器3通过4×4键盘2和触摸屏1输入超声波电机M1控制参数和运行状态。

本发明的软件部分主要分为:LCD显示模块、键盘输入模块、触摸屏模块、波形发生模块、反馈计算模块和算法模块等六个模块。系统的工作流程如下:系统上电运行后LCD显示欢迎界面，等待“欢迎进入”的触摸，然后进入主控界面，主控界面最初所有输出值显示为0，按下外部中断0后进入键盘输入状态，在所有输入文本框全部输入完毕后，按下ENTER或CANCEL键后退出键盘输入状态，然后按下启动模式触摸键启动电机，这时主控界面可以动态地显示电机的运行状况，也可进入实时曲线界面查看动态曲线。当按下停机按键后电机停止工作。触摸屏和LCD的各项功能都是通过GUI里的函数完成的。系统主程序工作在uC/OS-II嵌入式实时操作系统下，负责各个子任务之间的调度。任务之间的调度是通过uC/OS-II的两个信号量函数OSSemPend()和OSSemPost()实现的。算法任务模块分为速度控制和定位控制两种情况。速度控制采用传统PID算法反馈控制。定位控制采用的办法是将转速设成五档，按照实际位置与设定值之间的差值决定工作在哪一档。

Claims (5)

1.一种基于ARM的超声波电机嵌入式驱动控制器，其特征在于触摸屏、键盘分别接ARM微控制器的触摸屏接口、键盘接口，ARM微控制器输出端分别接波形发生电路、电压控制电路，波形发生电路、电压控制电路的输出端都接到功率电压放大电路的输入端，功率放大电路的输出端接超声波电机M1，光电编码器M2与超声波电机M1同轴设置，光电编码器M2输出端接ARM微控制器的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于ARM的超声波电机嵌入式驱动控制器，其特征在于波形发生电路由并口D/A转换器U3、三输入端或非门U4、施密特触发器U9、伏频转换器U10和环形计数器U7组成，三输入端或非门U4与环形计数器U7连接构成顺序脉冲发生器，在经伏频转换器U10转换得到的频率信号驱动下得到四路相位依次相差90度的脉冲信号Q0～Q3，其中Q2、Q3经施密特触发器U9反向，得到Y2、Y3，Y2与Q0组成a相，Y3与Q1组成b相，形成新的两相四路脉冲信号。

3.根据权利要求1所述的一种基于ARM的超声波电机嵌入式驱动控制器，其特征在于功率电压放大电路由N沟道增强型场效应管Q2～Q5，耦合升压变压器T1、T2，肖特基二极管D1～D4和驱动电路U5、U6组成，a相两路脉冲信号接驱动电路U5输入端，b相两路脉冲信号接驱动电路U6输入端，驱动电路U5、驱动电路U6的输出端接Q2～Q5的栅极，Q2～Q5源极和漏极与耦合升压变压器T1、T2的输入端相连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于ARM的超声波电机嵌入式驱动控制器，其特征在于电压控制电路由光电耦合集成芯片U2，PNP三极管Q1组成，光电耦合集成芯片U2的输入端接ARM微控制器的PWM输出引脚，Q1的集电极作为输出端输出voltage信号，接至耦合升压变压器T1、T2的电源输入端。

5.根据权利要求1所述的一种基于ARM的超声波电机嵌入式驱动控制器，其特征在于光电编码器M2的输出端接ARM微控制器的定时器的外部脉冲输入引脚。

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