使用高分辨率PWM产生器的行波电动机预驱动器

摘要

本申请案涉及使用高分辨率PWM产生器的行波电动机预驱动器。一种用于控制行波电动机(190)的电动机驱动器组合(150)包含预驱动器(160)，所述预驱动器(160)包含微控制器单元MCU芯片(165)，所述MCU芯片(165)包含提供比10Hz好的频率分辨率的多个高分辨率脉冲宽度调制HRPWM产生器。数字总线(166)用于将从伺服与速度控制块(130)中的控制器接收的数字字传送到所述HRPWM产生器，其中所述数字字提供来自所述电动机的在其操作期间的行波电动机操作性能信息。提供至少八十(80)百万分率ppm的准确度的时钟振荡器(168)针对所述高分辨率PWM产生器中的每一者耦合到所述MCU芯片或由所述MCU芯片提供。电动机驱动器(170)包含用于提供用于驱动所述行波电动机的相控输出的多个功率驱动器，所述功率驱动器包含耦合到所述多个HRPWM产生器的输出的多个输入。所述行波电动机可为超声波电动机。

说明书

技术领域

所揭示实施例涉及用于包含超声波电动机的行波电动机的电动机预驱动器。

背景技术

超声波电动机(USM)是具有在高于可听频带(约20kHz)的超声波范围内操作的压电 (例如，锆钛酸铅(PZT))致动器使得其安静地移动到人体的电动机。具有两个分区的单个 压电条带在底部上接合到定子。所述两个分区以四分之一波长在空间上分离且通过90 度异相的信号激发。施加于定子与转子之间的预负载经由摩擦耦合将高频率低振幅振动 转换为单向运动。为了放大运动，PZT或其它压电元件通常激发USM的系统谐振。

USM通常包含在高于可听频带的频率下供应正交的两个高电压波形的驱动器。此频 率通常以非常精细步长在正好高于串联谐振频率的窄范围内调整。举例来说，一个特定 USM可具有在其应用中需要5Hz或更好的频率分辨率(Δf)的61.6KHz的串联谐振频率。 此翻译成约0.08％的频率步长。需要将电动机的频率调整为正好高于串联谐振频率是因 为USM扭矩在以高于串联谐振频率操作时已知比在以低于所述谐振频率操作时更平稳 且更线性地变化，在以低于所述谐振频率操作的情况下其急剧下降使得为了以低于所述 谐振频率控制USM，将需要甚至更多频率分辨率。

此所需频率分辨率(Δf)给使用除以N时钟电路发展其PWM输出频率的常规脉冲宽 度调制(PWM)产生器提出问题。对于这些电路，Δf由以下方程式给出：

$\mathrm{\Delta f}=\frac{f_{\mathrm{pwm}}^2}{f_{\mathrm{clock}}}$

f_pwm＝PWM输出频率

f_clock＝时钟频率

在此实例中，针对61.2kHz PWM输出频率获得5Hz分辨率需要720MHz的时钟 频率(f_clock)，此超出了低成本微控制器单元(MCU)的能力。

按惯例，为了解决此问题以提供USM的所需频率分辨率(举例来说，Δf＝5Hz)， USM电动机驱动器板通常替代地使用从电动机接收由伺服与速度控制块感测的信号的 数/模转换器(DAC)、后续接着电压控制的振荡器(VCO)来发展所要电动机驱动器频率。 VCO又馈入环形计数器以产生具有0度、90度、180度及270度的相应相位延迟的四相 PWM输出。这些四相PWM输出通常连接到经耦合以驱动USM的电动机驱动器电路的 两个推挽式功率驱动器。

对USM的频率分辨率问题的此常规解决方案为昂贵的，需要至少3个外部组件 (DAC、VCO及环形计数器)。针对此已知布置可实现的频率分辨率取决于VCO敏感性 及DAC中的位的数目。

发明内容

所揭示实施例通过以下方式解决上文所描述的频率分辨率问题：使用由嵌入于特定 微控制器单元(MCU)中的高分辨率脉冲宽度调制(HRPWM)产生器提供的微边缘定位 (MEP)技术，使得与使用常规除以N时钟电路产生的频率相比可显著增强电动机预驱动 器的频率分辨率。具有嵌入式HRPWM产生器的一种实例性MCU为具有八个(8) HRPWM产生器的德州仪器有限公司(Texas Instrument Incorporated)(TI)C2000^TM。如本 文中所使用的HRPWM产生器指针对介于5kHz与300kHz之间的PWM载波频率提供 比(＜)10Hz好的在25℃下的频率分辨率的PWM产生器。

一个特定实施例利用在由同一时钟馈入的MCU上的四个HRPWM产生器。所述 HRPWM产生器具有基本上相同输出频率(由同一时钟驱动)且各自具有25％工作循环。 其正交相位自上而下分别为0度、180度、90度、270度。所揭示实施例认识到提供高 PWM频率分辨率(例如，≥5Hz的频率分辨率)的唯一需要为用于MCU的时钟提供至少 八十(80)百万分率(ppm)的准确度，例如可从可在MCU芯片上或在MCU芯片外的特定 晶体振荡器时钟获得。所揭示实施例因此以MCU代替上文所描述的数/模转换器(DAC)、 电压控制的振荡器(VCO)及环形计数器，所述MCU可减小成本且增加行波电动机控制 系统(例如超声波电动机(USM)控制系统)的可靠性及性能。

附图说明

现在将参考未必按比例绘制的附图，其中：

图1是根据实例性实施例的用于控制行波电动机的速度及位置的包含电动机驱动器 组合的行波电动机控制系统的框图，所述电动机驱动器组合包含所揭示基于MCU的预 驱动器及推挽式拓扑电动机驱动器。

图2是根据实例性实施例的用于控制行波电动机的速度及位置的包含电动机驱动器 组合的另一行波电动机控制系统的框图，所述电动机驱动器组合包含所揭示基于MCU 的预驱动器，具有升压转换器系统。

具体实施方式

参考图式描述实例性实施例，其中使用相似参考编号来标示类似或等效元件。动作 或事件的所图解说明排序不应视为限制性的，这是因为一些动作或事件可以不同次序发 生及/或与其它动作或事件同时发生。此外，可不需要一些所图解说明动作或事件来实施 根据本发明的方法。

并且，如本文中所使用的无进一步限制条件的术语“耦合到”或“与”……“耦合” (及类似术语)打算描述间接或直接电连接。因此，如果第一装置“耦合”到第二装置， 那么所述连接可通过其中在路径中仅存在寄生现象的直接电连接或通过经由包含其它 装置及连接的介入物项的间接电连接。对于间接耦合，介入物项通常不修改信号的信息， 但可调整其电流电平、电压电平及/或功率电平。

图1是根据实例性实施例的用于控制行波电动机190的操作(开始、停止、速度及位 置)的包含电动机驱动器组合的行波电动机控制系统100的框图。电动机驱动器组合150 包含包括具有多个HRPWM的MCU芯片165的所揭示预驱动器160及电动机驱动器电 路170。

预驱动器160包含所展示的MCU芯片165，所述MCU芯片165包含处理器167、 存储器169及展示为各自提供微边缘定位(MEP)的HRPWM 1、HRPWM 2、HRPWM 3 及HRPWM 4的多个HRPWM产生器。如上文所提及，MCU 165可为包含8个HRPWM 产生器的来自本专利申请案的受让人德州仪器有限公司的C2000^TM。

MCU 165还包含用于将从伺服与速度控制块130中的控制器接收的数字字(其表示 频率)传送到所述多个HRPWM产生器(HRPWM 1、HRPWM 2、HRPWM 3及HRPWM 4) 的数字总线166，其中所述数字字提供来自行波电动机190(例如来自用以实施伺服控制 的光学编码器(在图1中展示为编码器I/F 135))的在电动机操作期间的操作性能信息。或 者，针对速度控制而非伺服控制，可使用霍尔(Hall)效应传感器。

预驱动器160还包含提供至少(80)百万分率(ppm)的准确度的展示为“时钟”的时钟 振荡器168，所述时钟振荡器展示为与MCU芯片165分离且耦合到所述MCU芯片165 以提供HRPWM产生器(HRPWM 1、HRPWM 2、HRPWM 3及HRPWM 4)中的每一者的 时序信息。时钟振荡器168可包括晶体振荡器，或包含具有用于跟踪(补偿)温度随频率 的变化的特征的其它时钟振荡器电路。如下文所描述的图2中所展示，MCU芯片165 可包含其自身的晶体时钟振荡器，所述晶体时钟振荡器可提供集成于MCU芯片165上 的准确晶体振荡器。

所展示的电动机驱动器电路170包含用于提供用于驱动行波电动机190的相控输出 的多个功率驱动器，所述功率驱动器包含耦合到所述多个HRPWM产生器(HRPWM 1、 HRPWM 2、HRPWM 3及HRPWM 4)的输出的多个输入。图1中所展示的电动机驱动器 电路170包括两个推挽式功率驱动器。然而，如相对于图2所描述，所揭示实施例可包 含包括半桥或全桥电路及LC或LLCC滤波器以消除图1中所展示的推挽式拓扑的变压 器的其它电动机驱动器布置(例如一对升压转换器)(参见，下文所描述的图2)。虽然上文 所描述的基于MCU的预驱动器160在上文描述为用于通常在5kHz到350kHz下操作 的行波电动机(例如本文中定义为在20kHz到300kHz下操作的超声波电动机)，但所揭 示基于MCU的预驱动器还可适用于其它类型的电动机及致动器。举例来说，压电致动 器。

图2是根据实例性实施例的用于控制行波电动机的包含电动机驱动器组合的另一行 波电动机控制系统200的框图。电动机控制系统200类似于图1中所展示的电动机控制 系统100，只是其以具有升压功率转换器系统220的电动机驱动器电路170′代替电动机 驱动器电路170中的推挽式电动机及变压器驱动拓扑。如本文中所使用，“升压功率转 换器系统”指升压功率转换器、全桥或半桥驱动器及滤波器的组合。升压功率转换器系 统220通常包括一对升压转换器(以提供正电压及负电压)以及全桥或半桥及LC(LC谐振 转换器)或LLCC滤波器(LLCC谐振转换器)。C可为压电元件的C。升压功率转换器系 统220因此消除变压器，例如上文所描述的图1中所展示的电动机驱动器170中的变压 器。

如电力电子器件领域中已知，升压转换器(或增压(step-up)转换器)为其中输出电压大 于其输入电压的DC-DC功率转换器，所述DC-DC功率转换器属于含有至少两个半导体 开关(二极管及晶体管)及至少一个电感器的切换模式电力供应器(SMPS)的类别。升压功 率转换器系统220还使得展示为165′的MCU芯片能够经配置以在有误差的情况下将电 压升压且使用相位作为辅助控制变量来进行相位调整以允许将扭矩曲线线性化。因此， 可使用相位调制来改进扭矩线性度，从而使行波电动机的操作速度范围的低端扩展。图 2中的时钟还展示为芯片上时钟168′。

可将各种其它特征添加到所揭示的电动机驱动器组合。举例来说，可将MCU编程(通 过存储于存储器169中的可执行程序)以提供谐振跟踪器以改进功率效率。电动机驱动器 还可为可增加电动机190的寿命的AB类放大器。还可实施无传感器控制。

所揭示实施例的优点包含借助此外围装置中的电容性延迟线，可将另外8个有效位 添加到提供到行波电动机的频率分辨率。在上文所描述的电动机实例中，可借助90MHz 时钟将频率分辨率减小到约4Hz，此超过受测试的USM(或其它电动机)的要求且节省 上文描述为DAC、VCO及环形计数器(3个单独组件)的常规预驱动器电路布置的成本。

本发明所属领域的技术人员将了解，在所主张发明的范围内，许多其它实施例及实 施例的变化形式为可能的，且可在不背离本发明的范围的情况下对所描述实施例做出进 一步添加、删除、替代及修改。