CN102097973A - 一种基于嵌入式芯片的超声电机驱动控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于嵌入式芯片的超声电机驱动控制器，属于超声电机驱动控制器领域。本发明包括嵌入式可编程芯片PSoC（1）、第一驱动与匹配模块（2）和第二驱动与匹配模块（3）；其中嵌入式可编程芯片PSoC（1）的输出端分别与所述两个驱动与匹配模块的输入端连接，所述两个驱动与匹配模块的输出端分别与超声电机（4）的输入端连接。本发明通过对超声电机驱动脉冲个数、脉冲组数、脉冲周期的精准控制，达到了对直线型超声电机纳米级直线位移和旋转型超声电机亚角秒级旋转角度分辨率的精准脉冲驱动控制的目标。
Description
技术领域
本发明涉及一种输出驱动脉冲信号精准控制的超声电机驱动控制器，通过嵌入式芯片硬件的合理配置和软件程序的动态控制，能够实现对输出驱动脉冲的精准控制，属于超声电机驱动控制器领域。
背景技术
超声电机是一种利用逆压电效应，弹性体振动和摩擦传动原理的新型电机。与传统电机相比，超声电机具有低转速、力矩/质量比大、响应速度快、停电自锁、纳米级分辨率、无电磁干扰等特点。
超声电机需要两路正交相位的超声频率信号源来驱动。目前，已有的超声电机驱动器通常提供的IO接口，供外部控制器（例如：运动控制卡等）来控制电机的启动/停止和用模拟电压来调节电机的转速。但是，无法实现纳米级分辨率要求的输出驱动脉冲串的起始相位和停止相位均为0o相位、以及输出脉冲数目可以实现精准控制的要求。
“基于嵌入式系统级芯片超声电机驱动控制器”（申请号：200710134453.3），利用PSoC芯片的PWM模块直接产生四路方波信号推动MOS管完成直流逆变，具有根据电机运行状态自动调频、调相和调压功能，但是却不能够实现输出驱动脉冲相位和脉冲数目的精准控制。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是提供一种基于嵌入式芯片的超声电机驱动控制器，通过PSoC芯片的可编程功能和脉冲数目控制算法，构造超声电机驱动器，能够实现输出驱动脉冲相位和脉冲数目的精准控制，从而实现直线型超声电机纳米级直线位移和旋转型超声电机亚角秒级旋转角度分辨率的精准脉冲驱动控制的目标。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种基于嵌入式芯片的超声电机驱动控制器，包括嵌入式可编程芯片PSoC、第一驱动与匹配模块和第二驱动与匹配模块；其中嵌入式可编程芯片PSoC的输出端分别与所述两个驱动与匹配模块的输入端连接，所述两个驱动与匹配模块的输出端分别与超声电机的输入端连接。
进一步的，前述的基于嵌入式芯片的超声电机驱动控制器中，嵌入式可编程芯片PSoC包括计数器、定时器、串行通信模块、以及分别两路同步正交的第一PWM信号发生器与第二PWM信号发生器、第一缓冲器与第二缓冲器、第一输出总线逻辑器与第二输出总线逻辑器；
其中，所述第二PWM信号发生器的信号输出端分别与计数器的信号输入端、第二输出总线逻辑器连接；所述第一PWM信号发生器的信号输出端与所述第一输出总线逻辑器的信号输入端连接；
所述计数器的信号输出端分别与所述两个缓冲器的信号输入端连接，所述第一缓冲器的信号输出端与第一输出总线逻辑器的信号输入端连接，第二缓冲器的信号输出端与第二输出总线逻辑器的信号输入端连接；
所述第一输出总线逻辑器的信号输出端与第一驱动与匹配模块的信号输入端连接，第二输出总线逻辑器的信号输出端与第二驱动与匹配模块的信号输入端连接； 所述串行通信模块与远程控制端连接。
进一步的，前述的基于嵌入式芯片的超声电机驱动控制器中，计数器用于控制驱动脉冲的输出个数，该计数器的中断模块能用来控制脉冲组数以及脉冲周期。
进一步的，前述的基于嵌入式芯片的超声电机驱动控制器中，定时器产生0.5ms时间基准，用于嵌入式可编程芯片PSoC的分时调度系统的定时控制。
进一步的，前述的基于嵌入式芯片的超声电机驱动控制器中，串行通信模块用于实现对输出驱动频率、脉冲个数、脉冲组数、脉冲周期等动/静态参数的远程设置。
本发明采用上述技术方案具有如下有益效果：
本发明通过对超声电机驱动频率、脉冲个数、脉冲组数、脉冲周期的精准控制，达到了对直线型超声电机纳米级直线位移和旋转型超声电机亚角秒级旋转角度分辨率的精准脉冲驱动控制的目标。
附图说明：
图1 是基于PSoC芯片的超声电机驱动器；
图2 是PSoC可编程数字单元链接电原理框图；
图3 是PSoC分时调度系统原理框图；
图4 是PSoC脉冲模式输出示意图；
图5 是PSoC脉冲中断原理框图。
具体实施方案:
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：
如图1所示，超声电机驱动控制器由嵌入式可编程芯片PSoC，驱动与匹配模块PA-A和PA-B构成。嵌入式可编程芯片PSoC输出的两路信号A和/A接端接驱动与匹配模块PA-A的输入端，嵌入式可编程芯片PSoC输出的两路信号B和/B接端接驱动与匹配模块PA-B的输入端。驱动与匹配模块PA-A和PA-B的输出端接超声电机USM的输入端。
图2为 PSoC可编程数字单元链接电原理框图。在PSoC Designer 集成开发环境中创建本发明工程，构建工程的用户模块和端口配置，用户模块和端口属性的设置及初始化和用户模块与端口的链接等。本发明使用了两组PWM信号发生器5和8、两组缓冲器6和9、两组输出总线逻辑7和10、一组计数器11、一组定时器12、一组串行通信模块13等15个可编程数字单元和2个可编程输出总线，占用了5个（A、/A、B、/B、TXD）输出端口和1个（RXD）输入端口，系统使用了1个（0.5ms定时中断）中断、1个（Clk）48MHz的全局时钟、1个（Enable）信号同步信号。Enable同步信号能够保证两相输出频率信号的正交性。
PWM信号发生器5和PWM信号发生器8的输出频率信号，决定了超声电机的速度。
计数器11的输入时钟来自于PWM信号发生器8的输出信号，计数器11输出‘1’电平的脉冲宽度，通过输出总线逻辑7和10的‘逻辑与’，就决定了输出端口A, /A, B, /B 输出的脉冲个数。通过串行口可以动态改变计数器11 的‘1’电平的脉冲宽度，也就实现了对超声电机的输出驱动脉冲个数的有效控制。
输出总线逻辑7和10为可配置的输出逻辑，其中：‘0’电平输出逻辑，能够实现输出端口A、/A，B, /B的输出为‘0’电平；‘A’输出逻辑，使PWM发生器5和8与输出端口A、/A，B和/B直接连接，可实现PWM发生器5和8到输出端口A、/A，B和/B的直接输出，可实现‘连续模式’驱动信号输出；‘逻辑与’输出逻辑，可以实现计数器11输出的‘1’电平来控制PWM发生器的信号输出，可实现输出端口A、/A，B和/B的 ‘脉冲模式’驱动信号输出。
计数器中断模块实现对PWM发生器到输出端口A、/A，B和/B的脉冲信号输出的0°相位、脉冲组数、脉冲周期等精准控制。中断服务在第二次中断开始，令输出总线逻辑器输出为‘逻辑与’方式，由计数器的输出‘1’电平来控制输出总线逻辑器的‘逻辑与’，令PWM发生器到输出端口A、/A，B和/B脉冲信号的脉冲个数为给定值；脉冲判断如果脉冲组数值减一后等于零，关闭中断退出，并令输出总线逻辑器输出为‘0’电平输出逻辑，从而停止超声电机的运行。周期判断：判断如果脉冲个数发完，但脉冲周期值没有结束，令输出总线逻辑器处于‘0’电平输出逻辑，使输出端口A、/A，B和/B输出为‘0’电平，等待下一次中断。
图3为 PSoC分时调度系统原理框图。
系统初始化——完成对可编程数字单元API函数的参数配置、以及系统动态和静态参数的预置。
中断设置——开放0.5ms定时中断，启动分时调度系统的时间基准；开放串行通信模块13串行口中断，为RS232串行口接收数据作好准备；开放计数器11中断，可以实现PWM发生器5和8到输出端口A、/A，B, /B脉冲信号输出的0°相位、脉冲组数、脉冲周期等精准控制；开放全局中断，允许定时和串行通信模块13中断开始工作。
分时调度系统——按照0.5ms基准时间的节拍，不间断的通过RS232通讯口由UartRead（）函数，将超声电机的工作频率、脉冲个数、脉冲组数、脉冲周期等动态和静态参数值，以及系统命令字下载到PSoC芯片，按0.5ms基准时间的倍数，在程序SetSpeed（）、SetNumber（）、SetGroup（）、SetCycle（）以及Run（）等函数中顺序执行。系统分成脉冲和连续等两种运行模式。
图5 为PSoC脉冲中断原理框图。计数器11中断程序实现对PWM发生器5和8到输出端口A、/A，B, /B脉冲信号输出的0°相位、脉冲组数、脉冲周期等精准控制。
中断服务——在第二次中断开始，令输出总线逻辑器7和10输出为‘逻辑与’方式，由计数器11的输出‘1’电平来控制输出总线逻辑器7和10的‘逻辑与’，令PWM发生器5和8到输出端口A、/A，B, /B脉冲信号的脉冲个数为给定值；
脉冲判断——如果脉冲组数值减一后等于零，关闭中断退出，并令输出总线逻辑器7和10输出为‘0’电平输出逻辑，从而停止超声电机的运行。
周期判断——判断如果脉冲个数发完，但脉冲周期值没有结束，令输出总线逻辑器7和10处于‘0’电平输出逻辑，使输出端口A、/A，B和/B输出为‘0’电平，等待下一次中断。
脉冲工作模式：Run（）函数根据‘脉冲’系统命令字，输出端口A、/A，B, /B的相位均以0°相位开始和结束，使得超声电机上的两相每一个驱动脉冲都能够是一个完整的周期；
如图4所示，保证了所合成的行波有完整的周期性，实现了直线型超声电机纳米级直线位移和旋转型超声电机亚角秒级旋转角度分辨率，从而达到了精准控制的目的。驱动器所需的工作频率、脉冲个数、脉冲组数、脉冲周期等参数通过串行通信模块13下载。
连续工作模式：Run（）函数根据‘连续’系统命令字，超声电机不间断地运行，一直到Run（）函数收到‘停止’系统命令字为止。
最后说明的是：以上实施例子仅用于说明本发明而非限制，虽然对本发明进行了详细的说明，本领域的专业人员应当理解，对本发明的修改和等效置换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。
Claims (5)
1.一种基于嵌入式芯片的超声电机驱动控制器，其特征在于：包括嵌入式可编程芯片PSoC（1）、第一驱动与匹配模块（2）和第二驱动与匹配模块（3）；其中嵌入式可编程芯片PSoC（1）的输出端分别与所述两个驱动与匹配模块的输入端连接，所述两个驱动与匹配模块的输出端分别与超声电机（4）的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式芯片的超声电机驱动控制器，其特征在于：所述嵌入式可编程芯片PSoC（1）包括计数器（11）、定时器（12）、串行通信模块（13）、以及分别两路同步正交的第一PWM信号发生器（5）与第二PWM信号发生器（8）、第一缓冲器（6）与第二缓冲器（9）、第一输出总线逻辑器（7）与第二输出总线逻辑器（10）； 其中，所述第二PWM信号发生器（8）的信号输出端分别与计数器（11）的信号输入端、第二输出总线逻辑器（10）连接；所述第一PWM信号发生器的信号输出端与所述第一输出总线逻辑器（7）的信号输入端连接；
所述计数器（11）的信号输出端分别与所述两个缓冲器的信号输入端连接，所述第一缓冲器（6）的信号输出端与第一输出总线逻辑器（7）的信号输入端连接，第二缓冲器（9）的信号输出端与第二输出总线逻辑器（10）的信号输入端连接； 所述第一输出总线逻辑器（7）的信号输出端与第一驱动与匹配模块（2）的信号输入端连接，第二输出总线逻辑器（10）的信号输出端与第二驱动与匹配模块（3）的信号输入端连接； 所述串行通信模块（13）与远程控制端连接。
3.根据权利要求2所述的基于嵌入式芯片的超声电机驱动控制器，其特征在于：所述计数器（11）用于控制驱动脉冲的输出个数，该计数器的中断模块能用来控制脉冲组数以及脉冲周期。
4.根据权利要求2所述的基于嵌入式芯片的超声电机驱动控制器，其特征在于：所述定时器（12）产生0.5ms时间基准，用于嵌入式可编程芯片PSoC（1）的分时调度系统的定时控制。
5.根据权利要求2所述的基于嵌入式芯片的超声电机驱动控制器，其特征在于：所述串行通信模块（13）用于实现对输出驱动频率、脉冲个数、脉冲组数、脉冲周期等动/静态参数的远程设置。
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Effective date of registration: 20141113 Address after: Liuhe District of Nanjing City, Jiangsu province 211514 Dong Gou Zhen Fu Qian Jie No. 1 Patentee after: Jiangsu Fengke Utrasonic Motors Technology Co., Ltd. Address before: 210019 Xincheng Science Park, Jianye District, Jiangsu, Nanjing 5108 Patentee before: Nanjing Wanma Ultrasonic Motors Co.,Ltd. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130109 Termination date: 20170215 |
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