一种基于单MEMS传感器的单相驱动电路结构
技术领域
本发明涉及集成电路领域,具体涉及一种基于单MEMS传感器的单相驱动电路结构。
背景技术
现有电机,缺乏集成的中控设备或者中控设备智能度不高,需要大量人工操作,无法自动完成各类操作;脉冲的调制、延时调节电路结构不合理,导致双场效应管电压调节电路存在重叠的导通电压范围,进一步影响驱动电路;电机集成有位置传感器,位置传感器的可靠性低,易受到环境温度,压力等外界因素影响,进一步降低了电机的可靠性。
发明内容
针对上述现有技术,本发明目的在于提供一种基于单MEMS传感器的单相驱动电路结构,其旨在解决现有电机存在低智能度,不合理的驱动电路结构,低可靠性且不具备极端环境耐受能力等技术问题。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种基于单MEMS传感器的单相驱动电路结构,包括依次连接的MEMS传感单元:获取目标传感数据,转换传感数据为时钟信号和发送控制时钟;脉冲定时调制单元:根据MEMS传感单元发出的控制时钟,进行脉宽调制,并进行脉冲延时反馈调节和电平调制信号发送;单相电机单元:根据脉冲定时调制单元电平调制信号,获得有序的驱动模式并实现有序转动;脉冲定时调制单元向MEMS传感单元反馈数据;单相电机单元向脉冲定时调制单元反馈反电动势。
上述方案中,所述的MEMS传感单元,包括用于时钟输出、数据处理和信号控制的FPGA:设置有MEMS传感器接口;第一模数转换器:输出端口连接FPGA,接收FPGA控制命令,向FPGA输出数字信号;MEMS传感器:时钟输入接口连接FPGA的MEMS传感器接口,输出端连接第一模数转换器的输入端,接收FPGA的时钟序列,向第一模数转换器发送传感数据。MEMS传感器具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势。提取外界目标信号,与FPGA预设基准匹配,可完成识别功能;处理数据后,给下位电路发出中控命令;需要提出地是,FPGA完成编程后,系列操作均可自助完成,外界可通过上位机读取相关数据,体现电机智能化。
上述方案中,所述的脉冲定时调制单元,包括调制脉冲发生器:输入端连接FPGA的时钟输出端,接收FPGA控制时钟;第一反相器:输入端连接调制脉冲发生器的输出端;第一可编程延时器:输入端连接第一反相器的输出端;第二反相器:输入端连接第一可编程延时器的输出端;第一场效应管:栅极连接第二反相器的输出端,源极接有电感L1的一端且电感L1的另一端为High_V;用于消除判决延时的开关电路:与调制脉冲发生器的输出端连接,与第一可编程延时器的输出端连接;第二场效应管:栅极连接开关电路,漏极连接第一场效应管的源极;肖特基同步整流二极管:正极、负极分别连接第二场效应二极管的源极、漏极;肖特基同步整流二极管正极为Low_V。根据MEMS传感单元发出的控制时钟,实现脉宽调制,脉冲延时反馈调节和电平调制信号发送的功能。显著增加整个电路的反应速度。
上述方案中,所述的开关电路,包括截止电路,导通电路,还包括RS触发器:Q端连接第二场效应管Q2的栅极。
上述方案中,所述的截止电路,包括缓冲寄存器:输入端连接第一可编程延时器的输出端;第一升值计数器;时钟端连接缓冲寄存器的输出端;第一与门:输入端口连接High_V和编程序列;第一或非门:输入端口连接有第一与门的输出端,输出端连接第一升值计数器的计数端;第三反相器:输入端为预设端;第一或门:输入端口连接第三反相器的输出端和缓冲寄存器的输出端;第二或非门:输入端口连接有第一或门的输出端和第一或非门的输出端,输出端连接到第一或非门的输入端口;第二可编程延时器:激活计数端A连接第一升值计数器的计数端Q,延时端D连接第一可编程延时器的输出端ID;第四反相器:输入端连接第二可编程延时器的输出端Y;第三或非门:输入端口分别连接第四反相器的输入端和输出端;第二与门;第二或门:输入端口连接有第三或非门的输出端和第二与门的输出端;第五反相器:输入端和输出端连接第二与门的输入端口;第二或门的输出端连接RS触发器的R端。截止电路激活后,肖特基同步整流二极管D1将截止,彻底消除双场效应管重叠导通的电压区间和波形漂移,即此时只有场效应管Q2导通。显著增加整个电路的反应速度。
上述方案中,所述的导通电路,包括第二升值计数器:时钟端连接调制脉冲发生器的输出端;第三或门:输入端口连接第三反相器的输出端和High_V;第四或非门:输入端口连接有第三或门的输出端;第五或非门:输入端口连接有第四或非门的输出端,输出端连接第二升值计数器的计数端UP;第三与门:输入端口连接有缓冲寄存器的输出端,输出端连接到第五或非门的输入端口;第四与门:输入端口设置有监测点,输出端连接到第三与门的输入端口;基准电源:正极接地;比较器:高电平端连接基准电源的负极,输出端连接到第四与门的输入端口;第三可编程延时器:激活计数端A连接第二升值计数器的Q端,延时端连接第一可编程延时器的输出端;第六反相器:输入端连接第三可编程延时器的输出端;第五与门:输入端口连接第六反相器的输出端和输入端,输出端连接RS触发器的S端。导通电路激活后,肖特基同步整流二极管D1将导通,场效应管Q1导通,场效应管Q2短路;建立反电动势反馈基础回路。显著增加整个电路的反应速度。
上述方案中,所述的单相电机单元,包括驱动电路:1_H端连接High_V,1_L连接Low_V;电机:接口1连接驱动电路的输出接口OUT1;第二模数转换器:输入端连接单相电机的接口1,输出端连接比较器的低电平端。电机不需要位置传感器,通过所建立的反馈回路将反电动势传回脉冲定时调制单元,完成自调整操作,增强电机极端环境耐受能力,降低外界所造成影响,显著提升电机可靠性。
附图说明
图1为本发明电路模块图;
图2为本发明具体电路图;
图3为本发明反电动势替换位置传感器体现电机相位波形图;
图中:100-MEMS传感单元,200-脉冲定时调制单元,300-单相电机单元,4-调制脉冲发生器,5、12、23、28、30、24-反相器,6、21、22-可编程延时器,7-缓冲寄存器,8、16、17、25、29-与门,9、10、14、18、27-或非门,11、13、26-或门,31-RS触发器,Q1、Q2-场效应管,D1、D2-肖特基同步整流二极管,PRESET-预设端,Checkpoint-监测点,High_V-高电平点,Low_V-低电平点,MEMS SENSOR-微机电传感器,FPGA-现场可编程门阵列器件,MOTOR-电机,PDC-驱动电路,31、32-模数转换器,CI-网络接口,UPPER-上位机,BEMF-反电动势。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
下面结合附图对本发明做进一步说明:
图1为本发明电路模块图,一种基于单MEMS传感器的单相驱动电路结构,包括依次连接的MEMS传感单元100:获取目标传感数据,转换传感数据为时钟信号和发送控制时钟Clock;脉冲定时调制单元200:根据MEMS传感单元100发出的控制时钟Clock,进行脉宽调制,并进行脉冲延时反馈调节和电平调制信号发送;单相电机单元300:根据脉冲定时调制单元200电平调制信号,获得有序的驱动模式并实现有序转动;脉冲定时调制单元200向MEMS传感单元100反馈数据Data;单相电机单元300向脉冲定时调制单元200反馈反电动势BEMF。
图2为本发明具体电路图,上述方案中,所述的MEMS传感单元100,包括用于时钟输出、数据处理和信号控制的FPGA:设置有MEMS传感器接口;第一模数转换器31:输出端口连接FPGA,接收FPGA控制命令,向FPGA输出数字信号;MEMS传感器:时钟输入接口连接FPGA的MEMS传感器接口,输出端连接第一模数转换器31的输入端,接收FPGA的时钟序列,向第一模数转换器31发送传感数据。
所述的脉冲定时调制单元200,包括调制脉冲发生器4:输入端连接FPGA的时钟输出端,接收FPGA控制时钟Clock;第一反相器5:输入端连接调制脉冲发生器4的输出端;第一可编程延时器6:输入端连接第一反相器5的输出端;第二反相器24:输入端连接第一可编程延时器6的输出端;第一场效应管Q1:栅极连接第二反相器24的输出端,源极接有电感L1的一端且电感L1的另一端为High_V;用于消除判决延时的开关电路:与调制脉冲发生器4的输出端连接,与第一可编程延时器6的输出端连接;第二场效应管Q2:栅极连接开关电路,漏极连接第一场效应管Q1的源极;肖特基同步整流二极管D1:正极、负极分别连接第二场效应二极管的源极、漏极;肖特基同步整流二极管D1正极为Low_V。
所述的开关电路,包括截止电路,导通电路,还包括RS触发器31:Q端连接第二场效应管Q2的栅极。
所述的截止电路,包括缓冲寄存器7:输入端连接第一可编程延时器6的输出端ID;第一升值计数器19;时钟端CLK连接缓冲寄存器7的输出端;第一与门8:输入端口连接High_V和编程序列Pro.bit;第一或非门9:输入端口连接有第一与门8的输出端,输出端连接第一升值计数器19的计数端UP;第三反相器12:输入端为预设端Preset;第一或门11:输入端口连接第三反相器12的输出端和缓冲寄存器7的输出端;第二或非门10:输入端口连接有第一或门11的输出端和第一或非门9的输出端,输出端连接到第一或非门的输入端口;第二可编程延时器21:激活计数端A连接第一升值计数器19的计数端Q,延时端D连接第一可编程延时器的输出端ID;第四反相器28:输入端连接第二可编程延时器21的输出端Y;第三或非门27:输入端口分别连接第四反相器28的输入端和输出端;第二与门25;第二或门26:输入端口连接有第三或非门27的输出端和第二与门25的输出端;第五反相器23:输入端和输出端连接第二与门25的输入端口;第二或门26的输出端连接RS触发器31的R端。
所述的导通电路,包括第二升值计数器20:时钟端CLK连接调制脉冲发生器4的输出端;第三或门13:输入端口连接第三反相器12的输出端和High_V;第四或非门14:输入端口连接有第三或门13的输出端;第五或非门18:输入端口连接有第四或非门14的输出端,输出端连接第二升值计数器20的计数端UP;第三与门17:输入端口连接有缓冲寄存器7的输出端,输出端连接到第五或非门18的输入端口;第四与门16:输入端口设置有监测点Checkpoint,输出端连接到第三与门17的输入端口;基准电源Ref_1:正极接地;比较器15:高电平端连接基准电源Ref_1的负极,输出端连接到第四与门16的输入端口;第三可编程延时器22:激活计数端A连接第二升值计数器20的Q端,延时端D连接第一可编程延时器6的输出端ID;第六反相器30:输入端连接第三可编程延时器22的输出端Y;第五与门29:输入端口连接第六反相器30的输出端和输入端,输出端连接RS触发器31的S端。
所述的单相电机单元300,包括驱动电路PDC:1_H端连接High_V,1_L连接Low_V;单相电机MOTOR:接口1连接驱动电路的输出接口OUT1;第二模数转换器32:输入端连接单相电机MOTOR的接口1,输出端连接比较器15的低电平端。
图3为本发明反电动势替换位置传感器体现电机相位波形图,每个相位比起基准电源Ref_1电压的转换延时相位为π/6,提供实施过零检测条件。当反电动势BEMF发生变化时,脉冲定时调制单元200记录时间间隔并重设计数器;当计数器的计时大于或等于被记录的反电动势BEMF时间间隔,将启动相位变化计时,脉冲定时调制单元200将调节输出,以进一步驱动电机转动。
实施例1,
设一被标识的目标,MEMS传感器识别后发出传感数据给FPGA处理,FPGA给下位电路发出命令的同时通过网络接口CI上传可读信息给上位机UPPER,在特定FPGA应用中,上位机还可以对FPGA发出指令;当调制脉冲发生器4收到FPGA发出的命令时,输出反相的调制脉冲给第一可编程延时器6,第一可编程延时器6获得信号预载,输出一个延时的调制信号,通过开关电路后,肖特基同步整流二极管D1总是提前验证信号波形下降沿,以便预先完成高、低电平转换,消除双场效应管Q1,Q2的重叠区间,从而准确发出电平信号给驱动电路PDC,驱动电路PDC获得有序驱动模式,并进一步驱动电机有序转动。
航天应用中,实施例2,
在航天飞机与空间站对接操作中,空间站的对接口作为MEMS传感器特定识别目标,选用MEMS激光传感器,配合一高反射光激光器,通过“识别-转动-反馈-调整-识别……”过程,可较为精准地完成航天飞机与空间站对接。
军事应用中,实施例3,
可配合红外激光器制作自瞄准武器安装座,实施中,选用MEMS红外传感器,自打击武器(如火箭发射器RPG,穿甲机枪)安装在受电机转动控制的底座上,当敌对低空飞行目标或近、中距地面目标出现在MEMS红外传感器探测范围中,上位机发出打击指令给FPGA,电机随目标移动发生转动,实现锁定式持续打击所标记目标。在特定限制区域,可预先设置目标识别特征,则不需要上位机下达命令,只要一出现在MEMS传感器探测范围中,武器立刻打击目标,电机锁定式旋转,使得武器得以持续打击目标。
民事应用中,实施例4,
将舞台灯安装在电机上,可制作舞台主追光灯,实施中,预先标识所需要追光的表演者,表演者得以持续获得追光,不需人为控制主追光灯。
本发明有益效果:电机应变速度快,实施应用范围广,可智能地独立工作,可耐受极端环境且可靠性高。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。