CN105958864B - 超声电机控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声电机控制系统及其控制方法，该系统包括主控芯片，所述主控芯片用于与上位机连接，接收上位机发来的控制指令，并向其返回控制结果；所述主控芯片连接超声电机，用于控制超声电机运行；还包括电机控制软件系统；所述电机控制软件系统包括硬件底层驱动层，中间层和上层应用层；所述硬件底层驱动层包括主控芯片的底层驱动API函数；所述中间层根据应用层的需求对硬件底层驱动API函数进行二次封装。本发明采用参数可配置方案，解决超声舵机特性参数繁多，且个体差异明显的问题，从而显著增强超声舵机控制软件的硬件适应性。

Description

超声电机控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及超声电机控制技术领域，具体涉及一种超声电机控制系统及其控制方法。

背景技术

超声电机(ultrasonic motor,USM)是一种利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段内产生微幅振动，并通过定子与转子之间的摩擦作用将其转换成转子的旋转或直线运动的装置。相比于传统的电机，超声电机因其具有1)无需齿轮减速机构，结构紧凑；2)不产生磁场，也不受外界磁场干扰；3)断电自锁；4)位置和速度控制精度高，位移分辨率高；5)响应速度快等优点，在汽车、航空航天、微型机器人、光学仪器及武器装备等领域里有广泛的应用前景[1-3]。

近年来，基于超声电机技术的超声电机在微小型武器系统的智能化升级改造中崭露头角。超声电机由超声电机(包括高精度热敏电阻和反馈电位计)、超声电机控制器和控制软件构成。由于超声电机的工作原理和固有特性，其控制器和控制软件开发面临着以下典型的难题：

1)定子和转子间的摩擦作用将导致电机温度快速上升，从而使得在相同的控制信号下电机的转速不稳定；

2)某些情况下出现电机转速过高，甚至反转的现象；

3)特定条件下，当输出信号频率连续变化时，超声电机可能出现转速突变现象；

4)低温条件下超声电机启动性能下降，且输出力矩不足；

5)超声电机特性参数繁多，且个体差异明显。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种超声电机控制系统及其控制方法。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种超声电机控制系统，包括主控芯片，所述主控芯片用于与上位机连接，接收上位机发来的控制指令，并向其返回控制结果；所述主控芯片连接超声电机，用于控制超声电机运行；还包括电机控制软件系统；所述电机控制软件系统包括硬件底层驱动层，中间层和上层应用层；所述硬件底层驱动层包括主控芯片的底层驱动API函数；所述中间层根据应用层的需求对硬件底层驱动API函数进行二次封装。

更进一步的技术方案是所述应用层包括：

监控模块，用于接收并存储上位机发送来的电机配置信息，完成电机参数的在线配置；接收上位机发送来的电机零位标定指令，完成电机的零位标定功能；接收上位机发送来的电机控制指令，并解算提取出电机目标位置信息；

控制模块，用于完成超声电机控制器硬件配置及初始化；根据超声电机的当前状态信息和上位机发送来的控制指令，计算生成并输出有效的控制信号，驱动超声电机快速稳定的到达指定位置；

自检标定模块，用于检验电机是否可以正常工作和/或将电机的机械零位设定为其电气零位；

数据采集处理模块，用于采集超声电机的当前位置和温度信息，并进行平滑滤波处理；

所述监控模块分别与所述控制模块、数据采集处理模块以及自检标定模块连接。

更进一步的技术方案是所述主控芯片采用STM32F103单片机。

更进一步的技术方案是所述主控芯片包括UART模块、TIMER模块、FLASH模块、ADC模块、DAC模块、GPIO模块和驱动电路模块；所述超声电机上设置有高精度热敏电阻和反馈电位计；所述UART模块与上位机连接；所述DAC模块和GPIO模块连接所述驱动电路模块，所述驱动电路模块连接超声电机；所述ADC模块分别与所述高精度热敏电阻和反馈电位计连接。

更进一步的技术方案是还包括带温度补偿功能的恒流源电路模块，用于将高精度热敏电阻的电阻值转换为电压值。

更进一步的技术方案是所述主控芯片与所述上位机通过RS422端口进行数据通信。

更进一步的技术方案是所述上位机包括超声电机地面测试软件系统，所述超声电机地面测试软件系统与所述主控芯片连接；用于向电机发送电机配置指令，电机零位标定指令和电机运行指令。

更进一步的技术方案是提供一种上述超声电机控制系统的控制方法，该控制方法包括以下步骤：

1)，超声电机控制器上电后，首先进行硬件初始化，完成中断、定时器及各硬件接口的初始化设置；读取超声电机控制器FLASH中存储的电机参数信息，如果电机已经成功配置，则向上位机发送电机已配置指令，否则发送电机未配置指令；

2)，如果电机已配置，则完成电机自检操作，输出电机上限频率信号，否则直接输出电机上限频率信号；进入电机控制软件系统的监控模块，接收上位机指令；

3)，如果收到电机零位标定指令，完成电机零位标定，并向上位机返回零位标定完成指令；

4)，如果收到电机配置指令，提取电机配置信息，完成电机参数配置，并将配置信息存储在控制器主控芯片的片上FLASH存储器中，并向上位机返回电机参数配置完成指令；

5)，收到电机控制指令，提取目标位置，进行目标位置限幅后，驱动电机到达指定位置。

更进一步的技术方案是还包括通过超声电机地面测试软件系统进行超声电机参数配置步骤；所述超声电机参数存储在RudderData.dat文件中，通过超声电机地面测试软件系统读取后，经UART口发送给电机控制软件系统，完成超声电机参数配置；超声电机参数直接写入主控芯片的片内FLASH模块中，电机上电后自动读取参数。

更进一步的技术方案是还包括：

电机安装完成后，当电机机械零位与其电气零位有偏差时，通过电机地面测试软件系统发送电机零位标定指令，将电机机械零位直接设定为电气零位，并将电机零位字写入主控芯片的片内FLASH模块中；

电机控制软件系统调试过程中，通过电机地面测试软件系统向电机发送舵偏角信息，控制电机转动到指定位置。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果之一是：本发明采用参数可配置方案，解决超声电机特性参数繁多，且个体差异明显的问题，从而显著增强超声电机控制软件的硬件适应性。

附图说明

图1为本发明一个实施例中超声电机控制系统结构框图。

图2为本发明另一个实施例中超声电机控制软件系统工作流程图。

图3为本发明另一个实施例中超声电机参数配置流程图。

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。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式进行详细描述。

如图1所示，根据本发明的一个实施例，本实施例公开一种超声电机控制系统，它包括主控芯片，所述主控芯片用于与上位机连接，接收上位机发来的控制指令，并向其返回控制结果；主控芯片连接超声电机，用于控制超声电机运行；还包括电机控制软件系统；所述电机控制软件系统包括硬件底层驱动层，中间层和上层应用层；所述硬件底层驱动层包括主控芯片的底层驱动API函数；所述中间层根据应用层的需求对硬件底层驱动API函数进行二次封装。

具体的，超声电机控制器的主控芯片采用STM32F103单片机。控制器通过UART与上位机通信，接收上位机发来的控制指令，并向其返回控制结果。超声电机控制器每个控制周期均首先接收上位机指令，然后通过主控芯片STM32F103单片机内部自带的ADC模块采集超声电机的热敏电阻两端的电压值和反馈电位计的电压值，经数据分析和处理后，结合上位机指令，由主控芯片STM32F103单片机内部自带的DAC模块和GPIO模块产生控制信号，经驱动电路进行压频转换和功率放大后，输出到超声电机，从而控制超声电机运行。

如图1所示，通过电机控制器中带温度补偿功能的恒流源(电流为5mA)电路将高精度热敏电阻的电阻值转换为电压值，然后输出到STM32F103单片机ADC模块，完成超声电机温度信息的采集；反馈电位计的输出即为电压值，经射级跟随电路处理后输出到STM32F103单片机ADC模块，完成超声电机位置信息的采集；GPIO模块输出两路开关控制信号，以完成超声电机的启动、停止、正转和反转；DAC模块输出1路直流电平信号，经驱动电路转换为2路正交的正弦控制信号(幅度约400～600V，频率35～45kHz),驱动超声电机以不同的转速转动。图1中的TIMER模块用来产生控制周期T，FLASH模块主要用来存储超声电机配置参数。

进一步的，为了增强本实施例设计的超声电机控制软件在其他硬件平台的可移植性，软件总体设计采用三层架构：硬件底层驱动层，中间层和上层应用层。其中硬件底层驱动层主要包括主控芯片的底层驱动API函数，如UART读写函数、ADC配置及数据采集函数和FLASH读写函数等；中间层根据应用层的需求对硬件底层API函数进行二次封装，形成对各硬件模块进行必要操作的标准接口函数，便于应用层的调用。本实施例设计的超声电机控制软件，仅需对中间层进行简单的修改，即可移植到不同的硬件平台。

上层应用层设计是本实施例的核心内容，按功能可划分为监控模块、自检标定模块、数据采集处理模块和控制模块(如图1所示)，各模块的主要功能如下：

监控模块：接收并存储上位机发送来的电机配置信息，完成电机参数的在线配置；接收上位机发送来的电机零位标定指令，完成电机的零位标定功能；接收上位机发送来的电机控制指令，并解算提取出电机目标位置信息；

控制模块：完成超声电机控制器硬件配置及初始化；根据超声电机的当前状态信息(温度、位置)和上位机发送来的控制指令，计算生成并输出有效的控制信号，驱动超声电机快速稳定的到达指定位置；

自检标定模块：超声电机上电后，驱动超声电机完成0°->0.3°->0°->-0.3°->0°，检验电机是否可以正常工作；超声电机完成结构安装后，可通过控制软件的标定功能，将电机的机械零位设定为其电气零位，消除机械加工工艺及安装造成的误差影响；

数据采集处理模块：采集超声电机的当前位置和温度信息，并进行平滑滤波处理。

如图2所示，根据本发明的另一个实施例，本实施例公开上述超声电机控制系统的控制方法，超声电机控制器上电后，首先进行硬件初始化，完成中断、定时器及各硬件接口的初始化设置(控制模块)；读取超声电机控制器FLASH中存储的电机参数信息，如果电机已经成功配置，则向上位机发送电机已配置指令，否则发送电机未配置指令(控制模块)；如果电机已配置，则完成电机自检操作(自检模块)，输出电机上限频率信号，否则直接输出电机上限频率信号；进入电机控制软件监控模块，接收上位机指令(监控模块)：

如果收到电机零位标定指令，完成电机零位标定(监控模块)，并向上位机返回零位标定完成指令；

如果收到电机配置指令，提取电机配置信息，完成电机参数配置，并将配置信息存储在控制器主控芯片的片上FLASH存储器中(监控模块)，并向上位机返回电机参数配置完成指令；

收到电机控制指令，提取目标位置，进行目标位置限幅后，驱动电机到达指定位置(控制模块)。

进一步的，电机控制器与上位机通过RS422端口进行数据通信(波特率115200，停止位1，数据位8，奇校验)。

上位机发送给电机控制器的指令数据帧格式见表1所示。

表1 指令数据帧格式

表2 指令分类码

序号	指令分类码	指令名称	数据方向
				1	0x01	电机零位标定指令	上位机->电机控制器
2	0x55	电机运行指令	上位机->电机控制器

上位机发送给电机控制器的配置数据帧格式见表3所示。

表3 电机配置参数数据帧格式

电机控制器返回上位机的数据帧格式见表4所示。

表4 电机返回数据帧格式

表5 电机状态字格式

进一步的，为了配合超声电机控制软件设计、调试及参数配置，设计了超声电机地面测试软件系统。通过在PC机上运行电机地面测试软件系统，模拟上位机向电机发送电机配置指令，电机零位标定指令和电机运行(到指定位置)指令。其中，通过发送电机配置指令，实现电机参数的在线配置；当电机安装完成后，其机械零位通常与其电气零位有一定偏差，此时，可通过电机地面测试软件发送电机零位标定指令，将电机机械零位直接设定为电气零位，并将电机零位字写入主控芯片的片内FLASH中；电机控制软件调试过程中，可通过电机地面测试软件向电机发送舵偏角信息，控制电机转动到指定位置。

电机控制软件系统接收到电机地测软件系统发送的各指令后，执行相关操作，并将操作结果返回电机地测软件系统中，电机地测软件系统根据返回数据，判断操作是否成功，并在界面上显示出来。

进一步的，为了增强超声电机控制软件系统的硬件适应性(便于采用不同的超声电机、反馈电位计和电机控制器构建超声电机)，控制软件中使用到的关键参数(如表6所示，共10个参数，包括zero，scal，f_span，f_uplimit，k_TF，dis_TF，k_TR，dis_TR，k_DACF，dis_DACF)可通过上位机软件(如：电机地面测试软件系统)进行配置。配置参数存储在RudderData.dat文件中，通过上位机软件读取后，经UART口发送给电机控制软件，完成电机参数配置(如图3所示)。配置参数直接写入主控芯片的片内FLASH中，电机上电后可自动读取参数(如图2所示)。配置参数文件格式见下表6所示。

表6 超声电机配置参数文件说明

本实施例中配置的电机参数体现了超声电机(超声电机或称为“超声舵机”)(包括热敏电阻、反馈电位计和电机控制器)的核心数据信息，必须保证配置的正确性。本实施例首先从通信协议层面(表3)采用双字节校验和，保证通信的正确性，然后将写入FLASH的配置参数再次读出，并与接收到的配置数据进行逐字节比较，如果每个字节均相同，则向上位机返回参数配置成功信息，否则，返回参数配置失败信息。上位机根据返回的配置信息，再执行相应的操作。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一个实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (8)

1.一种超声电机控制系统，包括主控芯片，所述主控芯片用于与上位机连接，接收上位机发来的控制指令，并向其返回控制结果；所述主控芯片连接超声电机，用于控制超声电机运行；其特征在于：还包括电机控制软件系统；所述电机控制软件系统包括硬件底层驱动层，中间层和上层应用层；所述硬件底层驱动层包括主控芯片的底层驱动API函数；所述中间层根据应用层的需求对硬件底层驱动API函数进行二次封装；所述的应用层包括：监控模块，用于接收并存储上位机发送来的电机配置信息，完成电机参数的在线配置；接收上位机发送来的电机零位标定指令，完成电机的零位标定功能；接收上位机发送来的电机控制指令，并解算提取出电机目标位置信息；所述的主控芯片包括UART模块、TIMER模块、FLASH模块、ADC模块、DAC模块、GPIO模块和驱动电路模块；所述超声电机上设置有高精度热敏电阻和反馈电位计；所述UART模块与上位机连接；所述DAC模块和GPIO模块连接所述驱动电路模块，所述驱动电路模块连接超声电机；所述ADC模块分别与所述高精度热敏电阻和反馈电位计连接；

控制模块，用于完成超声电机控制器硬件配置及初始化；根据超声电机的当前状态信息和上位机发送来的控制指令，计算生成并输出有效的控制信号，驱动超声电机快速稳定的到达指定位置；

自检标定模块，用于检验电机是否可以正常工作和/或将电机的机械零位设定为其电气零位；

数据采集处理模块，用于采集超声电机的当前位置和温度信息，并进行平滑滤波处理；

所述监控模块分别与所述控制模块、数据采集处理模块以及自检标定模块连接。

2.根据权利要求1所述的超声电机控制系统，其特征在于所述的主控芯片采用STM32F103单片机。

3.根据权利要求1所述的超声电机控制系统，其特征在于还包括带温度补偿功能的恒流源电路模块，用于将高精度热敏电阻的电阻值转换为电压值。

4.根据权利要求1所述的超声电机控制系统，其特征在于所述的主控芯片与所述上位机通过RS422端口进行数据通信。

5.根据权利要求1或4所述的超声电机控制系统，其特征在于所述的上位机包括超声电机地面测试软件系统，所述超声电机地面测试软件系统与所述主控芯片连接；用于向电机发送电机配置指令，电机零位标定指令和电机运行指令。

6.根据权利要求1至5任一项权利所述的超声电机控制系统的控制方法，其特征在于所述的控制方法包括以下步骤：

1)，超声电机控制器上电后，首先进行硬件初始化，完成中断、定时器及各硬件接口的初始化设置；读取超声电机控制器FLASH中存储的电机参数信息，如果电机已经成功配置，则向上位机发送电机已配置指令，否则发送电机未配置指令；

2)，如果电机已配置，则完成电机自检操作，输出电机上限频率信号，否则直接输出电机上限频率信号；进入电机控制软件系统的监控模块，接收上位机指令；

3)，如果收到电机零位标定指令，完成电机零位标定，并向上位机返回零位标定完成指令；

4)，如果收到电机配置指令，提取电机配置信息，完成电机参数配置，并将配置信息存储在控制器主控芯片的片上FLASH存储器中，并向上位机返回电机参数配置完成指令；

5)，收到电机控制指令，提取目标位置，进行目标位置限幅后，驱动电机到达指定位置。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于还包括通过超声电机地面测试软件系统进行超声电机参数配置步骤；所述超声电机参数存储在RudderData.dat文件中，通过超声电机地面测试软件系统读取后，经UART口发送给电机控制软件系统，完成超声电机参数配置；超声电机参数直接写入主控芯片的片内FLASH模块中，电机上电后自动读取参数。

8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于还包括：

电机安装完成后，当电机机械零位与其电气零位有偏差时，通过电机地面测试软件系统发送电机零位标定指令，将电机机械零位直接设定为电气零位，并将电机零位字写入主控芯片的片内FLASH模块中；

电机控制软件系统调试过程中，通过电机地面测试软件系统向电机发送舵偏角信息，控制电机转动到指定位置。