基于数字信号处理芯片的超声波电机线性驱动控制器

摘要

基于数字信号处理芯片的超声波电机线性驱动控制器是一种对超声波电机进行控制的装置，尤其是一种采用DSP及电源跟踪技术的线性控制器，该控制器包括直流调压电路1、功率电压放大电路2、正弦波函数发生电路3、数字压控振荡器4、DSP芯片5、速度位置传感器M2，其中，DSP芯片5的输出端分别接直流调压电路1、正弦波函数发生电路3、数字压控振荡器4的输入端，数字压控振荡器4的输出端接正弦波函数发生电路3的输入端，正弦波函数发生电路3和直流调压电路1的输出端分别接功率电压放大电路2的输入端，功率电压放大电路2的输出端接超声波电机M1，速度位置传感器M2的输入信号取自超声波传感器M1，输出端接DSP芯片5的输入端。

说明书

一、技术领域

本发明是一种对超声波电机进行控制的装置，尤其是一种采用数字信号处理芯片(DSP)芯片及电源跟踪技术的线性控制器。

二、背景技术

超声波电机是近几年来快速发展起来的新型机电能量转换装置。不同于传统的电磁电机，超声波电机工作时即给压电陶瓷(PZT)加一定频率、幅值和相位的电激励信号，利用压电陶瓷逆压电效应使其产生微观机械振动从而激发电机整体结构的机械谐振，完成电能到机械能的转换。

超声波电机作为控制元件，由于其内部结构的特殊性，利用精确的理论模型求取传递函数的传统控制方法的其难度比大。例如等效电路法，就等效电路而言其参数的确定一直是超声波电机研究的难题。现在，在超声波电机控制方面往往采用人工神经网络、模糊控制法等现代控制方法，解决数学建模的难题。但这些控制方法软件相对复杂，对控制系统的运算性能要求高，一般的单片机难以达到要求，PC机尽管可以胜任，但对于产业化而言可行性不高。随着半导体工艺的发展，新型控制芯片DSP和可编程逻辑器件CPLD的普遍应用，使得研制脱离PC机的高性能的超声波电机控制器成为可能。

现在通常运用ANSYS等有限元软件对于超声波电机的结构分析，其模态分析和谐响应分析得出的为单一频率下的结果，不考虑谐波分量。在普遍采用的逆变升压驱动电路，其结构简单实用，但驱动信号中则含有相当比重的谐波分量。即使利用升压变压器阻抗匹配，使驱动信号变为正弦波，但因其原理为串联谐振，当电机温度升高阻抗参数变化时，使得加在电机上的驱动电压的波形和幅值发生变化。对于的高精度闭环控制系统而言，其输出量应当具有明确的一一对应关系，显然上种电路则有一定的缺陷。

三、技术内容

1、技术问题

本发明的目的是提供一种功耗低、具有自动调频、调相和调压功能的基于数字信号处理芯片的超声波电机线性驱动控制器。

2、技术方案

一种基于数字信号处理芯片的超声波电机线性驱动控制器，其特征在于该控制器包括直流调压电路、功率电压放大电路、正弦波函数发生电路、数字压控振荡器、DSP芯片、速度位置传感器，其中，DSP芯片的输出端分别接直流调压电路、正弦波函数发生电路、数字压控振荡器的输入端，数字压控振荡器的输出端接正弦波函数发生电路的输入端，正弦波函数发生电路和直流调压电路的输出端分别接功率电压放大电路的输入端，功率电压放大电路的输出端接超声波电机，速度位置传感器的输入信号取自超声波传感器，输出端接DSP芯片的输入端，直流调压电路由MOS开关管、电感线圈、滤波电容C5及续流二极管D5所组成，直流调压电路的输入端即MOS开关管的栅极与DSP芯片的输出端即集成电路的输出端“T1PWM”相接；直流调压电路的输出端即电感线圈与功率电压放大电路的输入端即晶体管的集电极相接，正弦波函数发生电路由集成电路U3～U11所组成，其输入端即相位控制信号锁存器U3、电压控制信号锁存器U4的“A0～A7”端以及2～4译码器U5的“A0～A1”端与DPS芯片的输出端即“D0～D7”以及“A0～A1”端相接；正弦波函数发生电路的输出端即D/A变换器U11的输出端“O1、O2”与功率电压放大电路的输入端即晶体“Q1～Q4”的基极相接，数字压控振荡器由数字压控振荡器电路U2组成，其输入端“SPI”与DSP芯片U1的“SPI”端相接，其输出端“CLROUT”与正弦波函数发生电路中的A相计数器U6及B相计数器U7的“CLK”端相接，并通过反相器U10连接到A相EPROM存储器U8和B相EPROM存储器U9的CLK端，功率电压放大电路由晶体管Q1～Q4、变压器T1、T2、电容器C1～C4所组成，晶体管Q1、Q2的基极相连通过电容器C3作为一个输入端，晶体管Q3、Q4的基极相连通过电容器C4作为另一个输入端，晶体管Q1、Q2的输出端通过变压器T1与超声波电机的输入端相接，晶体管Q3、Q4的输出端通过变压器T2与超声波电机的另一输入端相接，速度位置传感器的输入信号取自超声波电机，速度位置传感器的输出端接DSP芯片U1的“QEP”端。

3、技术效果

本发明利用D/A变换得到两相小信号正弦波，再经信号放大以驱动电机。对于降低电路功耗，则采用电源跟踪技术和并联阻抗匹配技术。电路具有根据电机运行状态自动调频、调相和调压功能。

四、附图说明

图1是本发明控制器的结构框图。其中有直流调压电路1、功率电压放大电路2、正弦波函数发生电路3、数字压控振荡器4、DSP芯片5、超声波电机M1、速度位置传感器M2。

图2是本发明的电路原理图。

五、具体实施方案

本发明的基于DSP的超声波电机线性驱动控制器，包括直流调压电路1、功率电压放大电路2、正弦波函数发生电路3、数字压控振荡器4、DSP芯片5、速度位置传感器M2，其中，DSP芯片5的输出端分别接直流调压电路1、正弦波函数发生电路3、数字压控振荡器4的输入端，数字压控振荡器4的输出端接正弦波函数发生电路3的输入端，正弦波函数发生电路3和直流调压电路1的输出端分别接功率电压放大电路2的输入端，功率电压放大电路2的输出端接超声波电机M1，速度位置传感器M2输入信号取自超声波电机M1的输出端接DSP芯片5的输入端。

本发明电路中的主要元件为：

M1     行波形超声波电机      M2    速度位置传感器

T1     A相升压变压器         T2    B相升压变压器

Q1     A相NPN功率管          Q3    B相NPN功率管

Q2     A相PNP功率管          Q4    B相PNP功率管

C5     滤波电容              L1    滤波电感

D5     肖特基二级管          Q5    MOS开关管

D(1-4) 整流桥                S     交流电源

U1     DSP芯片               U2    数字压控振荡器

U3     相位控制信号锁存器    U4    电压控制信号锁存器

U6     A相计数器             U7    B相计数器

U8     A相EPROM存储器        U9    B相EPROM存储器

U10    反相器                U5    2-4译码器

U11    D/A变换器

直流调压电路1由MOS开关管Q5及电感线圈L1所组成，直流调压电路1的输入端即MOS开关管Q5的栅极与DSP芯片5的输出端即集成电路U1的输出端“T1PWM”相接；直流调压电路1的输出端即电感线圈L1与功率电压放大电路2的输入端即晶体管Q1的集电极相接，正弦波函数发生电路3由集成电路U3～U11所组成，其输入端即相位控制信号锁存器U3、电压控制信号锁存器U4的“A0～A7”端以及2～4译码器U5的“A0～A1”端与DPS芯片5的输出端即“D0～D7”以及“A0～A1”端相接；正弦波函数发生电路3的输出端即D/A变换器U11的输出端“O1、O2”与功率电压放大电路2的输入端即晶体“Q1～Q4”的基极相接，数字压控振荡器4由数字压控振荡器电路U2组成，其输入端“SPI”与DSP芯片U1的“SPI”端相接，其输出端“CLROUT”与正弦波函数发生电路3中的A相计数器U6及B相计数器U7，并通过反相器U10连接到A相EPROM存储器U8、B相EPROM存储器U9的“CLK”端相接，功率电压放大电路2由晶体管Q1～Q4、变压器T1、T2、电容器C1～C4所组成，晶体管Q1、Q2的基极相连通过电容器C3作为一个输入端，晶体管Q3、Q4的基极相连通过电容器C4作为另一个输入端，晶体管Q1、Q2的输出端通过变压器T1超声波电机M1的输入端相接，晶体管Q3、Q4的输出端通过变压器T2与超声波电机M1的另一输入端相接，速度位置传感器M2的输入信号取自超声波电机M1，速度位置传感器M2的输出端接DSP芯片U1的“QEP”端。

先请参见附图1，

本发明控制部分的核心为DSP芯片，它通过正弦波函数发生电路实现对驱动信号的频率、相位和幅值的改变，从而控制电机的运行状态。考虑到电路的工作效率，本发明的驱动部分则通过直流调压器电路和功率电压放大电路，利用电源跟踪技术和并联谐振技术，驱动电机，降低整个控制器的功耗。

附图2所示：

行波形超声波电机M1的驱动电压要求为两相正弦波，为了达到可用多种手段控制的目的，要求两相相位差、幅值和频率可调。并且具有速度位置反馈电路。由于DSP芯片U1是一种计算型微控制器，为了充分利用其强大的计算功能，DSP芯片在本控制电路中对外只负责发送频率、相位和幅值的控制信号及接受反馈信号，其大部分内部硬件资源用于算法的处理。两相正弦波的生成则利用可编程逻辑器件和D/A变换器U11组成的正弦波函数发生电路来实现。通过D/A变换生成正弦波，其关键要做一张具有不同幅值的正弦波表，每一种幅值的表存放于一块连续的存储空间内，不同幅值的正弦波表按幅值的大小连续分A、B两相分别存放于EPROM存储器U8、U9内。利用数字计数器U6、U7连续地做地址循环扫描，经过D/A变换器U11可以得到正弦信号，计数器的时钟信号由数字压控振荡器U2给出。调压，调相及与DSP通讯接口的具体电路，由8位电压控制信号锁存器U4、8位相位控制信号锁存器U3、2-4译码器U5、A相计数器U6、B相计数器U7等数字电路组成，它们由一片CPLD芯片集成。

与DSP芯片U1的通讯接口电路由2-4译码器U5、电压控制信号锁存器U4和8位相位控制信号锁存器U3组成。DSP芯片通过其IO空间完成与CPLD通讯。电路采用并行通讯方式。电压控制信号锁存器U4，8位相位控制信号锁存器U3的输入信号共同接到DSP芯片U1的IO空间的数据总线，其输出分别接EPROM存储器U8、U9的地址高8位和A相计数器U6的初值端，用来调压和调相。2-4译码器U5作为地址译码器，输入接IO空间的地址总线，输出用来分别选通电压控制信号锁存器U4和相位控制信号锁存器U3，以区分调压控制信号和调相控制信号。

电路的调压控制功能由电压控制信号锁存器U4完成。作为不同幅值的选通信号，电压控制信号锁存器U4的输出接EPROM存储器U8、U9地址的高8位。当DSP芯片U1给出调压指令时，电压控制信号锁存器U4可选通EPROM存储器U8、U9中的相应幅值的正弦波表，使经D/A变换后的正弦信号幅值得到调整。

为了调相达到调相目的，本发明将一相的相位固定(B相)，作为基准，调整另一相的相位。由于该电路正弦信号的发生，是通过计数器U6、U7对EPROM存储器U8、U9中低8位的地址连续地做地址循环扫描产生的，经D/A变换所的。8位A相计数器U6和8位B相计数器U7分别作用于A相信号和B相信号的发生。其中计数器U7为cascadable计数器，其特点是没有置数端，它的计数初值为0，但当它计数到最大值时输出端Carry OUT端将产生高电平信号，并在计数器回零时复位。计数器U7的初值端连接到锁存器U3的输出端，置数(Load)端连接到从计数器U7的Carry OUT端。当计数器U7从0开时计数时，计数器U6从的锁存器的锁存值开始计数，这样就可以产生两路具有相位差的正弦信号。当DSP发出调相指令后，通过锁存器U3，在一个周期内可改变A相的相位。

计数器U6和U7的时钟信号由数子压控振荡器U2提供。DSP芯片U1通过SPI口控制数字压控振荡器U2，产生频率可变的时钟信号，该信号成为计数器U6、U7的时钟脉冲，这样就产生了可调频的正弦信号。

由于本发明驱动部分的设计核心思想为线性驱动，所以信号的功率电压放大电路由A相NPN功率管Q1、A相PNP功率管Q2和B相NPN功率管Q3、B相PNP功率管Q4组成的线性功放电路和升压变压器T1、T2及直流调压电路构成。

电路功率放大部分由A相NPN功率管Q1、A相PNP功率管Q2和B相NPN功率管Q3、B相PNP功率管Q4组成两对对管构成，提供驱动信号的功率输出。由于线性放大电路的特点，尽量减小输出信号失真度，使三极管工作于线性放大区，则要求施加于A相NPN功率管Q1、A相PNP功率管Q2和B相NPN功率管Q3、B相PNP功率管Q4的集电极与发射极间的电压绝对值Vce应保持大于一定的值。另一方面，电路的损耗主要取决于功率三极管的管耗大小。三极管管耗与Vce及负载有关，当Vce增加时管耗加大。所以在负载一定的情况下，当Vce维持在一定范围内时，既可以使输出信号波形限制在一定的失真范围内，又可以得到较高的电路工作效率。为了解决以上问题，本发明采用了电源跟踪技术：利用开关电源的Buck变换原理，组成直流调压电路。当输入信号的幅值改变时，DSP芯片U1产生的相应的PWM信号，控制MOS开关管Q5的导通与关断时间比，调整电源的幅值，使功率电压放大电路的电源电压跟随驱动电路输入信号的峰峰值的变化而变化。

减小功率管管耗，提高电路工作效率的另一手段是改变驱动电路的负载特性，利用升压变压器T1、T2的激磁电流进行容性电流补偿。由于超声波电机M1为容性负载，如果没有电流补偿，则电路回路中含有很大比重的容性电流，当它流过功放电路时加大功率管Q1、Q2、Q3、Q4的管耗。本发明利用并联谐振原理，进行电流补偿。电路中可采用铁粉磁芯材料绕制的变压器。铁粉磁芯材料的导磁率低，饱和点高，用它绕制的变压器可提供与电机并联谐振时所需的激磁电流，同时也保证了变压器输入和输出电压幅值的恒定，不随电机温度升高参数变化而变化，从而使得控制信号与驱动信号有固定的一一对应关系。