CN103427707A - 一种超声电机驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声电机驱动器，包括处理模块、两相功率放大及匹配模块、可控时钟模块、反馈信号采集模块、电流检测模块；其中所述可控时钟模块输出的时钟信号经所述处理模块处理后输出至两相功率放大及匹配模块进行匹配处理，匹配后的时钟信号驱动超声电机工作，所述反馈信号采集模块将采集到的超声电机速度信号反馈至处理模块，所述处理模块将反馈的速度信号处理后，输出控制信号至所述可控时钟模块，调节可控时钟模块的输出时钟，实现了电机转速高性能、高稳定性的控制目标。

Description

一种超声电机驱动器

技术领域

本发明涉及一种超声电机驱动器，属于超声电机驱动控制领域。

背景技术

超声电机是一种压电陶瓷作动令弹性体产生亚微米级变形的周期性行波，再通过摩擦力做功的电机。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。

超声电机需要由超声电机驱动器提供两路正交相位的超声频率来驱动工作。目前，已有的全分立元器件的超声电机驱动器，可以实现电机的启动/停止和调速，但是不能实现与上位机的通信，采用分立元件使得驱动器的体积比较大。超声电机在工作中，接近共振点时功耗增加、电流增大，如果没有保护会损坏电机或驱动器。

国家知识产权局，专利号为200710134453.3，专利名称为“基于嵌入式系统级芯片超声电机驱动控制器”的专利文件，公开了一种超声电机驱动器，包括依次连接的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，还包括分别与PSoC芯片、超声电机连接的孤极整流滤波电路，该专利解决了上述驱动器体积大的问题，采用孤极反馈法实现对驱动电机频率的跟踪，以达到稳定电机转速的目的。

该专利公开的驱动器是单纯以嵌入式微处理器作为核心的驱动控制器，属于数字式驱动器，虽然有效解决了模拟式驱动器无法实现与上位机通信、数字控制等缺点，但是由于数字式驱动器工作频率不能无限制增加，所以在接近电机工作的共振点时，存在频率分辨率不足、分散等缺点，因此控制频率无法做到很精细，导致此类控制器控制精度低，同时分频比微小的变动会使得电机的转速波动很大，影响了电机转速的稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种超声电机驱动器，在数字式超声电机驱动器的基础上增加压控振荡器及反馈信号采集模块，使得该超声电机驱动器实现闭环控制模式，实现连续实时的输出时钟频率信号调节，解决了电机转速稳定性的问题。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

       一种超声电机驱动器，包括处理模块、两相功率放大及匹配模块；还包括可控时钟模块、反馈信号采集模块；其中所述可控时钟信号输出的时钟信号经所述处理模块处理后输出至两相功率放大及匹配模块进行匹配处理，匹配处理后的时钟信号驱动超声电机工作，所述反馈信号采集模块将采集到的超声电机速度信号反馈至处理模块，所述处理模块将反馈的速度信号处理后，输出至所述可控时钟模块的控制端，调节可控时钟模块的输出时钟。

为了进一步解决电机过流保护问题，还包括电流检测模块，所述电流检测模块实时检测两相功率放大及匹配模块的输出电流，并将检测到的电流信号输出至所述处理模块。

为了更进一步解决超声电机转速波动大、正反转转速不一致的问题，还包括正反转补偿模块，所述正反转补偿模块将反馈的速度信号转化为正、反转控制信号输出至所述处理模块。

所述处理模块包括PWM模块、运放比较模块；其中可控时钟模块的输出端与所述PWM模块输入端连接；所述PWM模块的输出端与所述两相功率放大及匹配模块的输入端连接；所述运放比较模块的输入端与所述反馈信号采集模块的输出端连接；所述运放比较模块输出端与所述可控时钟模块的控制端连接；所述运放比较模块将所述反馈的速度信号与预先设定的参考信号进行比较运放后输出控制信号至可控时钟模块。

还包括参考电压调节模块，所述电压比较模块包括两个输入端，其中一个输入端与所述反馈信号采集模块的输出端连接，另一个输入端与所述参考电压调节模块的输出端连接。

所述可控时钟模块为压控振荡器。

所述反馈的速度信号为超声电机本身的孤极信号或电机转速信号。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明在基于嵌入式微处理器芯片的超声电机驱动器的基础上，增加了可控时钟模块及反馈信号采集模块，所述嵌入式微处理器芯片对可控时钟模块的输出频率进行处理后控制超声电机工作，同时反馈信号采集模块采集超声电机速度信号反馈至可控时钟模块的输入端，控制压控振荡器的输出频率，形成闭环控制，实时调节超声电机的驱动时钟信号，达到了电机转速高性能、高稳定性的控制目标。

增加了电流检测和保护，实现了电机驱动过程中过流保护。

增加了正反转补偿电路，解决了超声电机转速波动大、正反转转速不一致的问题。

增加了电压调节电路，可根据用户需要实时调节参考电压，方便外部手动调节。

可通过多种方式采集反馈的速度信号，结构简单，方便操作，精确度高。

附图说明

图1为本发明嵌入式微处理器和压控振荡器集成的原理图。

图2为本发明电流保护电路原理框图。

图3为本发明反馈信号调节及正反转补偿原理图。

图4为本发明采用PSOC嵌入式微处理器的实现原理图。

图5为本发明没有内置运算放大器的嵌入式微处理器的实现原理图。

图6为本发明电机需用PWM信号控制流程图。

图7为本发明微处理器与上位机通信流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

本控制器可控时钟模块采用压控振荡器。

如图1所示，一种超声电机驱动器，包括嵌入式微处理器、压控振荡器、两相功率放大及匹配模块、反馈信号采集模块、电流检测模块、正反转补偿模块、开关、工作指示模块、参考电压调节模块、UART接口模块；其中，所述嵌入式微处理器包括时钟模块、PWM模块、运放比较模块、UART模块；所述两相功率放大及匹配模块为Sin相功率放大及匹配模块和Cos相功率放大及匹配模块；所述压控振荡器输出与时钟模块的输入信号连接，为时钟模块提供连续的时钟信号；所述时钟模块输出与PWM模块输入连接；所述PWM模块输出信号分别与Sin相功率放大及匹配模块、Cos相功率放大及匹配模块的输入端连接；所述Sin相功率放大及匹配模块、Cos相功率放大及匹配模块的输出端与超声电机M输入端连接；时钟信号经匹配处理后驱动超声电机工作；超声电机M输出端与反馈信号采集模块输入端连接，反馈信号采集模块输出端分别与运放比较模块的一个输入端、正反转补偿模块输入端连接；运放比较模块的另一个输入端与参考电压调节电路连接；运放比较模块的输出端与所述压控振荡器的输入端连接，形成闭环控制电路；所述反馈信号采集模块将采集到的超声电机速度信号反馈至嵌入式微处理器，所述嵌入式微处理器将反馈的速度信号转化成电压信号并与预先设定的参考电压信号进行运放比较后，输出控制信号至所述压控振荡器，调节压控振荡器的输出时钟。

所述电流检测模块的输入端分别与所述两相功率放大及匹配模块的Sin相功率输出、Cos相功率输出连接，所述电流检测模块的输出端与所述处理模块的过流保护模块输入端连接。

所述正反转补偿模块的两路输出信号分别与开关模块的CW、CCW端连接；所述开关模块的CW、CCW端与嵌入式微控制器连接；所述开关模块可手动操作，发出正转和反转指令；所述工作指示模块与嵌入式微处理器连接，指示工作状态；所述UART模块与UART接口连接，与外部信号传输。

如图2所示，本实施例电流检测模块包括电流传感器，所述电流传感器的输入端分别与所述两相功率放大及匹配模块的Sin相功率输出、Cos相功率输出连接，所述电流传感器的输出端与所述处理模块的过流保护模块输入端连接；所述电流传感器与处理模块采用共同的电源供电。

电流传感器实时采集电机工作电流，并把采集到的电流信号输入嵌入式微处理器的过流保护模块，该模块根据设定电流值通过内部逻辑的设计，在电机过流时，控制切断PWM的输出信号，保护电机和驱动器。

如图3所示，包括反馈信号采集电路及正反转补偿电路，其中反馈信号采集电路将电机估计孤极反馈信号FBin采集处理后分为两路，一路与嵌入式微处理器连接，另一路与正反转补偿电路连接。

电机孤极反馈信号FBin经电阻R21与GND连接，且FBin经过二极管D7后分别与电容C19的一端、电阻R22的一端连接；所述电阻R22的另一端与可调电阻VR1的一个接线端连接、可调电阻VR1的另一接线端与电阻R23的一端连接；电容C19的另一端、电阻R23的另一端分别与GND连接；可调电阻VR1的调节端经过二极管D8后分别与电阻R24、R25、C20的一端连接；电阻R24、C20的另一端分别与GND连接；电阻R25的另一端作为反馈信号采集模块的输出端，反馈信号采集模块的输出信号通过电阻R26将反馈信号FB输入至嵌入式微处理器，同时反馈信号采集模块的输出端与可调电阻VR2的调节端连接；可调电阻VR2的两个接线端分别与电阻R29、R30一端连接；电阻R29的另一端与三极管Q5的集电极连接；电阻R30的另一端与三极管Q6的集电极连接；三极管Q5、Q6的发射极分别与GND连接；三极管Q5的基极经过电阻R27与所述开关模块的CW端连接；三极管Q6的基极经过电阻R28与所述开关模块的CCW端连接。

如图4所示，当采用嵌入式PSOC微处理器时，PSOC内部硬件资源配置如下：压控振荡器产生的信号通过PSOC的数字输入引脚进入两个带死区的PWM模块，PWM模块在初始化中设定好分频比、占空比和死区大小，再通过控制使能信号EN使其同步。如果接收到开关提供的CW或CCW信号则使能PWM输出，从而嵌入式微处理器的数字输出引脚产生SinA、SinB、CosA和CosB四路电机驱动信号，SinA、SinB与A相功率放大匹配电路连接，CosA、CosB与B相功率放大匹配电路连接，A、B相功率放大匹配电路输出与超声电机M连接；如嵌入式微处理器未接收到CW或CCW信号，则PWM输出引脚为低电平。对于有孤极反馈的超声电机，其运行后在孤极产生的孤极反馈信号经反馈信号采集及正反转补偿电路处理后经过电阻R2与电容C2组成的并联电路后通过PSOC的模拟输入引脚进入其内部的模拟运算放大器负输入端，该信号与参考电压调节模块产生的电压比较，并且经由电阻R1、电容C1、电阻R2和电容C2形成的模拟PID调节器运算后产生一个电压控制信号，该电压控制信号经由PSOC的模拟输出引脚输出后施加于压控振荡器的电压输入端，从而形成一个转速闭环调节回路。

使能信号EN能够保证PSOC的两个PWM模块产生的两相输出频率信号的正交性。

压控振荡器产生的频率信号经由PSOC的PWM模块分频分相后产生的输出频率信号，决定了超声电机的转速。

当驱动器加电以后，嵌入式微处理器没有收到开关模块提供的CW或CCW信号时工作指示模块中的LED灯以较低可见频率闪烁，表示嵌入式微处理器工作正常。当嵌入式微处理器收到开关模块提供的CW或CCW信号时工作指示模块的LED灯以较高可见频率闪烁，表示嵌入式微处理器有电机驱动信号输出。

如图5所示，对于有内置PWM模块，而没有内置运放比较模块的嵌入式微处理器，可以外加一个运算放大器来作为闭环控制器。

对于带有内置PWM模块的嵌入式微处理器，需采用图6中所述的步骤对嵌入式微处理器外部管脚和PWM模块进行初始化，上电开始后，首先初始化系统变量及PWM输入端口，PWM输出端口置低电平；其次，将PWM使能信号EN置为低电平，设置两个PWM模块的分频比、占空比和死区大小，PWM使能信号EN置高电平；然后，初始化PSOC内部的模拟运算放大器模块INSAMP；最后，根据开关CW和CCW信号开放PWM输出端口，以及改变电机的旋转方向，重复执行最后一步。

实现与上位机的通信，则需采用图7所述的步骤，嵌入式微处理器收到通信数据后，对数据进行解码，根据解码后的命令要求控制电机的正转、反转、停止等，同时再把监视数据传回上位机，结束通信。

采用超声电机本身的孤极信号或编码器、速度传感器测得的电机转速信号作为反馈的速度信号，可通过多种方式采集反馈的速度信号，结构简单，方便操作，精确度高。

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 (7)

1.一种超声电机驱动器，包括处理模块、两相功率放大及匹配模块；其特征在于：还包括可控时钟模块、反馈信号采集模块；其中所述可控时钟模块输出的时钟信号经所述处理模块处理后输出至两相功率放大及匹配模块进行匹配处理，匹配处理后的时钟信号驱动超声电机工作，所述反馈信号采集模块将采集到的超声电机速度信号反馈至处理模块，所述处理模块将反馈的速度信号处理后，输出至所述可控时钟模块的控制端，调节可控时钟模块的输出时钟。

2.根据权利要求1所述的超声电机驱动器，其特征在于：还包括电流检测模块，所述电流检测模块实时检测两相功率放大及匹配模块的输出电流，并将检测到的电流信号输出至所述处理模块。

3.根据权利要求1或2所述的超声电机驱动器，其特征在于：还包括正反转补偿模块，所述正反转补偿模块将反馈的速度信号转化为正、反转控制信号输出至所述处理模块。

4.根据权利要求3所述的超声电机驱动器，其特征在于：所述处理模块包括PWM模块、运放比较模块；其中可控时钟模块的输出端与所述PWM模块输入端连接；所述PWM模块的输出端与所述两相功率放大及匹配模块的输入端连接；所述运放比较模块的输入端与所述反馈信号采集模块的输出端连接；所述运放比较模块输出端与所述可控时钟模块的控制端连接；所述运放比较模块将所述反馈的速度信号与预先设定的参考信号进行比较运放后输出控制信号至可控时钟模块。

5.根据权利要求4所述的超声电机驱动器，其特征在于：还包括参考电压调节模块，所述电压比较模块包括两个输入端，其中一个输入端与所述反馈信号采集模块的输出端连接，另一个输入端与所述参考电压调节模块的输出端连接。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的超声电机驱动器，其特征在于：所述可控时钟模块为压控振荡器。

7.根据权利要求6所述的超声电机驱动器，其特征在于：所述反馈的速度信号为超声电机本身的孤极信号或电机转速信号。

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