CN101420189A - 基于压控振荡器的超声电机控制集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于压控振荡器的超声电机控制集成电路。在一半导体芯片上集成有：压控振荡电路，用于产生一定频率范围的矩形波信号；频分相电路，用于根据接收的上述矩形波信号产生多个有设定相位差的分相矩形波信号；死区调节电路，用于根据上述分相矩形波信号产生在起始高电平区域含有低电平死区的对应矩形波输出信号；输出驱动电路，用于增强对上述矩形波输出信号带载能力形成对应输出的矩形波控制信号；直流偏置电路，用于向上述各电路提供直流电源。其主要优点是：可防止超声电机中推挽电路中的逆变开关功率管因关断延时和相位差为180°的信号可能直接作为电机开关管的控制信号，而使开关管直接导通，导致电路损坏。

Description

基于压控振荡器的超声电机控制集成电路

技术领域

本发明涉及半导体集成电路，尤其涉及一种基于压控振荡器的超声电机控制集成电路。

背景技术

超声电机是一种基于压电陶瓷逆压电效应的新型电机。与一般电磁电机相比，超声电机能直接输出低转速大力矩，且瞬态响应快、定位精度高，非常适合取代传统的伺服电机及步进电机。目前超声电机已广泛应用于照相机及摄像机的自动调焦系统，而且在精密仪器以及航空航天领域也有许多应用。尽管超声电机具有很多优点，但超声电机对于驱动信号有着较高的要求。由超声电机的工作机理可知，大部分超声电机的运行需要相关的驱动控制电路提供两相频率为20kHz～100KHz、相位差为90°的控制信号。

目前国内外开发的超声电机的驱动及控制电路普遍还是基于与超声电机配套的普通驱动控制电路。这些驱动控制电路采用基于传统PCB技术的多模块组合设计方法，因而存在电路体积大、运行可靠性低、易受干扰等问题。

发明内容

本发明的目的是为解决上述现有技术所存在的问题，提供一种比原有控制电路体积大为缩小的并具有高稳定和高可靠性的基于压控振荡器的超声电机控制集成电路，它通过下述技术方案来实施：

在一半导体芯片上集成有

压控振荡电路，用于产生一定频率范围的矩形波信号；

分频分相电路，用于根据接收的上述矩形波信号产生多个有设定相位差的分相矩形波信号；

死区调节电路，用于根据上述分相矩形波信号产生在起始高电平区域含有低电平死区的对应矩形波输出信号；

输出驱动电路，用于增强对上述矩形波输出信号带载能力形成对应输出的矩形波控制信号；

直流偏置电路，用于向上述各电路提供直流电源。

所述死区调节电路包括一个反相器、若干个二输入与门和对应若干个带异步清零功能的D触发器，二输入与门的两输入端分别连接反相器和所述触发器的请零端，输出端连接所述触发器的时钟端。

所述分相矩形波信号设定相位差为90°。

所述矩形波输出信号在各种频率下占空比都为45％。

本发明的集成电路是针对超声电机的控制需要而设计的，例如设计的死区调节电路可防止超声电机中推挽电路的逆变开关功率管由于其关断延时和相位差为180°信号可能直接作为电机开关管的控制信号，而使开关管直接导通，导致电路损坏。该死区调节电路其死区比例固定，不随频率发生变化，电路简单，可使制作成本降低。

本发明还根据超声电机采用恒流源对电容充放电的特点，用压控振荡器形成振荡信号，振荡频率稳定，占空比随频率变化小。

由于本发明将形成驱动超声电机控制信号的多个功能电路集成在一半导体芯片上，使电路体积大大缩小，且运行不易受干扰，可靠性高。

附图说明

图1是本发明集成电路的结构示意图。

图2是压控振荡电路的电原理图。

图3分频分相单元输出波形图是分频分相电路的电原理图。

图4是死区调节电路的电原理图。

图5是分频分相单元输出波形图。

图6是死区调节电路输入波形图。

图中，1半导体芯片，2压控振荡电路，3分频分相电路，4死区调节电路，5输出驱动电路，6直流偏置电路。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明及优点作进一步说明

对照图1，在一半导体芯片上集成有压控振荡电路、分频分相电路、死区调节电路、输出驱动电路和直流偏置电路。压控振荡电路用于产生一定频率范围的矩形波信号，该矩形波信号被分频分相电路的接收端接收后产生4个有相位差为90°的分相矩形波信号。死区调节电路根据接收到的相位依次相差90°的矩形波信号，产生在起始高电平区域H内含有低电平死区H_L的对应矩形波输出信号。输出驱动电路将该矩形波输出信号进行一定的功放，以增强信号的带载能力，通过其对应输出端输出矩形波控制信号以控制超声电机运转。直流偏置电路用于向上述各电路提供所需的直流电源电压。

压控振荡器(VCO)电路其结构见图2，是一种恒流源对电容充放电的压控振荡器结构。其输出信号的频率是通过外加电压来控制的。本实施例采用5V电压，输出信号是一频率在80～400kHz范围、占空比为20％的矩形波信号。其进入稳定振荡时的工作过程如下：

第一个暂稳态(t1～t2)：在t1时刻，假设A点电位“1”变为“0”，则P型MOS管MP1导通，电容C1通过MP1充电，当电容C1上的电压Uc1上升至高电平时N型MOS管MN1导通，使B点由“1”变为“0”，C点由“0”变为“1”，使P型MOS管MP2截至，电容C2通过I3放电，当电容C2上的电压Uc2下降至低电平时，D点由“0”变为“1”，从而使A点由“0”变为“1”，开始进入第二个暂稳态；

第二个暂稳态(t2～t3)：在t2时刻，A变为高电平，使P型MOS管MP1截至，电容C1通过I1放电，当电容C1上的电压Uc1下降至低电平时N型MOS管MN1截至，使B点由“0”变为“1”，所以C点由“1”变为“0”，从而使P型MOS管MP2导通，电容C2通过MP2充电，当Uc2上升至高电平时，D点由“1”变为“0”，即A点由“1”变为“0”，返回第一个暂稳态。然后又开始重复前面的过程。

上述压控振荡器电路的特点是：结构简单，控制方便，适合混合集成电路工艺实现，不需要外接元件。压控振荡器在系统中的作用是产生系统的基准频率，A点作为压控振荡器输出信号端为下一级的分频分相单元提供时钟CP。

分频分相电路其结构见图3，包括2个D触发器、2个二输入或门和4个二输入与门。本实施例的集成电路是针对四极超声电机而设计的，所以分频分相电路需要产生4路相位依次相差90°的矩形波信号，CP节点接上一级VCO的输出信号；CW节点为控制信号端，CW为低电平时电机正转，CW为高电平时电机反转；RUN节点为控制系统的启动和停止控制端，RUN端口为高电平时电路启动，RUN端口为低电平时电路停止工作。波形如图5所示。其中图5(a)为正转波形，图5(b)为反转波形。根据电机正向转动和反向转动各个时刻的时序关系，并考虑到超声电机控制系统的启动和停止功能。

由于数字分频分相输出了4路相位依次相差90°、占空比为50％的矩形波信号，而推挽逆变电路的开关功率管一般都存在一定的关断延时，如果用相位差为的180°A+和A—信号直接作为电机A相开关管的控制信号，就可能使开关管直接导通，从而导致电路损坏。为了保证同时导通的情况不出现，本发明对控制超声电机的信号设置一预留的“死区”。并通过死区调节电路来实现，其电路结构见图4。该电路包括一个反相器、4个二输入与门ADN1-ADN4、4个带异步清零功能的D触发器。二输入与门的两输入端分别连接反相器和所述触发器的清零端CLR，输出端连接所述触发器的时钟端CLK。图中CP信号经过反相器反相后接至二输入与门其中一个输入端，A+、A—、B+、B—信号分别接二输入“与”门的另一个输入端，同时连接到后级D触发器的异步清零端CLR。二输入“与”门的输出连接到后级D触发器的时钟端，该D触发器的数据端始终接高电平VDD。该电路结构简单，集成面积小，其死区比例固定，不随频率变化。

其工作过程以A+路信号为例来说明，信号A+是输入时钟CP的八分频输出，CP的反相信号和A+信号相“与”后，在A+信号的正半周期形成4个时钟上升沿，该上升沿的位置对应于CP的下降沿。这4个时钟上升沿作为后级D触发器的时钟信号，因为D触发器的数据端始终接高电平VDD，所以此时输出为高电平。由于A+信号连接在后级D触发器的异步清零端CLR，在A+信号的负半周期，D触发器输出为低电平。因此输出的波形outA+就好像输入的信号A+在正半周期被削掉了CP的半个周期，形成一个死区。时钟信号CP、输入信号A+以及输出信号outA+的时序关系如图6所示。

本发明中的输出驱动电路为普通的具有电流放大功能的输出驱动电路。直流偏置电路实际是由电源和数个分载电阻组成，通过电阻将电源电压施加到上述的压控振荡电路、分频分相电路、死区调节电路和输出驱动电路上。

Claims (4)

1.基于压控振荡器的超声电机控制集成电路，其特征在于在一半导体芯片上集成有

压控振荡电路，用于产生一定频率范围的矩形波信号；

分频分相电路，用于根据接收的上述矩形波信号产生多个有设定相位差的占空比为50％的分相矩形波信号；

死区调节电路，用于根据上述分相矩形波信号产生占空比为45％的对应矩形波输出信号；

输出驱动电路，用于增强对上述矩形波输出信号带载能力形成对应输出的矩形波控制信号；

直流偏置电路，用于向上述各电路提供直流电源。

2.根据权利要求1所述的基于压控振荡器型超声电机控制的集成电路，其特征在于所述死区调节电路包括一个反相器、若干个二输入与门和对应若干个带异步清零功能的D触发器，二输入与门的两输入端分别连接反相器和所述触发器的清零端，输出端连接所述触发器的时钟端。

3.根据权利要求1所述的基于压控振荡器型超声电机控制的集成电路，其特征在于所述分相矩形波信号设定相位差为90°。

4.根据权利要求1所述的基于压控振荡器型超声电机控制的集成电路，其特征在于所述矩形波输出信号在各种频率下的占空比都为45％。

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