CN110138268A - 一种超声电机总线式驱动控制一体化电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声电机总线式驱动控制一体化电路，其主要技术特征是：它包括总线接口1、FPGA主控单元2、功率放大电路3、匹配电路4、编码器解析模块5、电压电流采集模块6、温度采集模块7、孤极电压采集模块8；上位机通过总线接口1控制FPGA主控单元2输出两相可调的SPWM信号，转化两相正弦信号驱动电机运转，编码器解析模块5获取角位置信息，电压电流采集模块6检测输入端电压电流，温度采集模块7敏感定转子摩擦界面温度变化，孤极电压采集模块8检测定子振动信号，所有信号反馈至FPGA主控单元2后经总线接口1输出至上位机，实现超声电机的性能监测及伺服控制。它具有控制灵活、体积小、功能多、应用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机驱动控制电路，尤其涉及一种应用于超声电机的总线式驱动控制一体化电路的解决方案。
背景技术
超声电机是一种采用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动原理，通过定子与转子之间的摩擦，将定子的微观振动转化为转子的宏观振动的新型电机，具有低速、大扭矩、无电磁噪声、断电自锁等传统电磁电机所不具备的特性，广泛应用于航空航天、机器人、医疗器械等领域。超声电机压电陶瓷的振动模态由两相高频正弦信号(30-60KHz)激励产生，运转时伴随界面温度的上升，阻抗曲线、振动幅频曲线发生偏移，速度呈现出非线性时变的特点，此外不同控制参数(幅值、频率、相位差)对电机速度的影响规律存在差异。由于单一位置/速度反馈或者是单一参数控制难以使电机获得较好的控制性能，因此需要构建满足多参数控制多参量反馈的一体化电路，其中的反馈参量重点包括输入电压电流、陶瓷振动信号、界面温度、输出角位置、旋转角速度。这些反馈信号的频率都与电机工作频率一致，需要适配高速高带宽的控制指令传输、驱动放大和实时采集电路。
背景技术中，目前已有的超声电机驱动控制器，主要采用PWM激励的推挽式放大电路，普遍采用单一频率控制，反馈参量多为速度信息或位置信息+孤极振动信号的组合，速度位置控制精度有限；控制指令通过串口而非高速总线传输，指令传输速率受限，难以实现多个超声电机协同控制的要求；控制器体积较大，智能化程度差。专利名称为“一种嵌入式超声电机驱动控制器”(专利号：201610328501.1)的发明专利，公开了一种采用基于PWM信号的半桥电路推挽放大的超声电机驱动器，能实现驱动信号频率和幅值可调、驱动器输入端过压过流保护，过热保护，但没有考虑电机两端电压电流以及电机内部温升情况实时检测，电机速度平稳性及位置精密控制受到影响。专利名称为“一种超声电机的单相推挽驱动电路”(专利号：201520194943.2)的发明专利，公开了一种由两个开关管组成的推挽电路以及谐振电路构成的驱动电路，能实现电机低电压驱动，但该电路会出现电压信号畸变，导致速度平稳性以及位置精确性受到影响。专利名称为“超声电机控制系统及控制方法”(专利号：201610416888.6)的发明专利，公开了一种由STM32F103单片机为主控芯片的控制系统，能实现对驱动参数的监控以及数据采集处理，但该控制系统只能通过RS422端口进行通信，控制方式单一，不能实现多台电机的精密同步控制。专利名称为“基于双PWM功率驱动拓扑结构的单相调压调速控制方法”(专利号：201410368588.6)的发明专利，公开了一种基于双PWM功率驱动拓扑结构的单相调压调速控制方法，能实现超声电机的速度调节范围宽，转速调节线性，但该方法会出现电压信号畸变，导致转速平稳性受到影响。
为解决现有技术的不足，满足当前超声电机多参量反馈多参数控制的要求，我们对超声电机总线式驱动控制一体化电路进行了研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是要提供一种超声电机总线式驱动控制一体化电路，它通过FPGA生成SPWM信号实现对超声电机主要驱动参数幅值、频率、相位差的快速调整，构造多样的驱动和控制信号，通过总线接口传输控制指令信号，匹配相应的信号检测电路，将电机驱动算法与控制算法高度集成于FPGA中，其控制灵活、体积小、功能多、应用范围广。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种超声电机总线式驱动控制一体化电路，它包括：总线接口1、FPGA主控单元2、功率放大电路3、匹配电路4、编码器解析模块5、电压电流采集模块6、温度采集模块7、孤极电压采集模块8；
上位机指令通过所述总线接口1传输到所述FPGA主控单元2，控制FPGA主控单元2输出两相幅度、载波频率、相位差连续可调的SPWM信号，SPWM信号经所述功率放大电路3和所述匹配电路4转化为两相正弦信号驱动超声电机运转；
所述编码器解析模块5获取超声电机的角位置信息；
所述电压电流采集模块6检测超声电机输入端的电压电流；
所述温度采集模块7敏感超声电机的定转子摩擦界面在运行过程中的温度变化；
所述孤极电压采集模块8通过超声电机定子上孤极电压的变化，检测定子的振动信号；
通过编码器解析模块5、电压电流采集模块6、温度采集模块7、孤极电压采集模块8获得的信号反馈至FPGA主控单元2后，经总线接口1输出至上位机，实现对超声电机性能的实时监测，同时可将多参数控制算法集成于FPGA主控单元2上用于对超声电机的精密伺服控制。
进一步的，所述总线接口1采用符合国际标准的CANOpen协议作为应用层协议，采用分布式时钟同步控制可驱动多台超声电机；
进一步的，所述功率放大电路3包括栅极驱动器U1、H桥电路、变压器T1，H桥电路由栅极驱动器U1驱动，输出的电压信号经变压器T1进一步放大；
进一步的，所述匹配电路4包括电容C1、电感L1、电感L2，电感L1与电容C1串联，电感L2与超声电机并联，变压器T1一端与电感L1相连，另一端与电感L2连接，电容C1的另一端作为匹配电路的输出端连接超声电机；
进一步的，所述编码器解析模块5支持包括方波TTL、串口以及SSI接口等绝对式编码器和增量式编码器的多种协议类型；
进一步的，所述电压电流采集模块6包括电流传感芯片U2、电压互感芯片U4、偏置放大电路、压控振荡器，所述电流传感芯片U2串联于超声电机驱动信号输入端，所述电压互感芯片U4与超声电机两端并联，测量得到的两相电流电压信号经所述偏置放大电路放大后，由压控振荡器转换输出至FPGA主控单元2进行处理；
进一步的，所述温度采集模块7通过嵌装于超声电机的薄膜温度传感器阻值变化转换为电压信号，得到超声电机运行过程中定转子摩擦界面的实时温度变化并实时进行补偿；
进一步的，所述孤极电压反馈模块8采集超声电机压电陶瓷上的孤极电压信号并反馈至FPGA主控单元2，检测超声电机运转时的定子振幅。
本发明同背景技术相比所产生的有益效果：
1、本发明通过FPGA生成SPWM信号可以实现对超声电机主要驱动参数幅值、频率、相位差的快速调整，进而构造多样的驱动和控制信号，增加了超声电机控制的灵活性；
2、由于在一次测量中集成电压电流、界面温度、孤极振动、旋转转速等，对超声电机的宏微观机电特性进行实时测量，为研究电机运动机理及能量转换规律奠定了基础，也为如温度补偿、频率跟踪等反馈控制结构创造了条件；
3、驱动电路，通过可扩展中高速总线接口可以实现在有限空间内多台超声电机的同步控制，有利于多台超声电机在航空航天、工业制造等领域的协同控制及应用；
4、它具有控制灵活、体积小、功能多、应用范围广等优点。
附图说明
图1是本发明超声电机总线式驱动控制一体化电路的系统组成方框图；
图2是图1中功率放大电路3、匹配电路4的电路图；
图3是图1中电压电流采集模块6的电路图；
图4是图1中温度采集模块7的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步描述。
如图1所示，一种超声电机总线式驱动控制一体化电路，它包括：总线接口1、FPGA主控单元2、功率放大电路3、匹配电路4、编码器解析模块5、电压电流采集模块6、温度采集模块7、孤极电压采集模块8。
上位机指令通过总线接口1传输到FPGA主控单元2，FPGA主控单元2按照控制指令生成两相幅度、载波频率、相位差连续可调的SPWM信号，两相电压经功率放大电路3放大，再由匹配电路4进行压电陶瓷的无功功率补偿，转化为两相正弦信号驱动超声电机运转；
总线接口1采用符合国际标准的CANOpen协议作为应用层协议，采用分布式时钟同步控制可驱动多台超声电机。
如图2所示，功率放大电路3包括栅极驱动器U1、H桥电路、变压器T1，FPGA主控单元2生成的SPWM信号通过栅极驱动器U1输出HO1、HO2、LO1、LO2四路高低电压信号，高低电压信号联合驱动H桥电路，产生幅值为±15V的功率信号；变压器T1将H桥输出的SPWM功率信号进一步放大；
匹配电路4包括电容C1、电感L1、电感L2，电感L1与电容C1串联，电感L2与超声电机并联，变压器T1一端与电感L1相连，另一端与电感L2连接，电容C1的另一端作为匹配电路的输出端连接超声电机，电容C1、电感L1、电感L2为外接有源元件，与超声电机容性负载共同构成谐振网络，SPWM功率信号经匹配电路转化为正弦信号驱动超声电机运转，由此超声电机实际输出的电压幅值与相移不随驱动频率的变化而变化；
编码器解析模块5获取超声电机的角位置信息，编码器解析模块5支持包括方波TTL、串口及SSI接口等绝对式编码器和增量式编码器的多种协议类型。
如图3所示，电压电流采集模块6检测超声电机输入端的电压电流，电压电流采集模块6包括高灵敏度电流传感芯片U2、高灵敏度电压互感芯片U4、偏置放大电路、压控振荡器；
电流传感芯片U2串联于超声电机驱动信号输入端，电流传感芯片U2输出的信号经偏置放大电路放大后由压控振荡器传输回FPGA主控单元2进行解算；
电压互感芯片U4与超声电机两端并联，超声电机两端电压经过电阻R1和电阻R2分压后传输给电压互感芯片U4，电压互感芯片U4输出差分信号VOP与VON，得到的信号经过偏置放大电路放大后由压控振荡器回传给FPGA主控单元2作为反馈参量。
如图1、图4所示，温度采集模块7的薄膜温度传感器嵌装于超声电机内，敏感超声电机在运行过程中定转子摩擦界面的温度变化，通过薄膜热电阻R7的阻值变化，经电桥转换为电压信号，电压信号通过压控振荡器经隔离后传输至FPGA主控单元2进行解算，用于检测超声电机运行过程中定转子摩擦界面的实时温度变化并实时进行补偿。
孤极电压反馈模块8通过超声电机定子上孤极电压的变化检测定子的振动信号，采集超声电机压电陶瓷上的孤极电压信号并反馈至FPGA主控单元2，检测超声电机运转时的定子振幅。
通过编码器解析模块5、电压电流采集模块6、温度采集模块7、孤极电压采集模块8获得的信号反馈至FPGA主控单元2后，经总线接口1输出至上位机，实现对超声电机性能的实时监测，同时可将多参数控制算法集成于FPGA主控单元2上用于对超声电机的精密伺服控制。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护内容。
Claims (8)
1.一种超声电机总线式驱动控制一体化电路，其特征在于：它包括总线接口(1)、FPGA主控单元(2)、功率放大电路(3)、匹配电路(4)、编码器解析模块(5)、电压电流采集模块(6)、温度采集模块(7)、孤极电压采集模块(8)；
上位机指令通过所述总线接口(1)传输到所述FPGA主控单元(2)，控制FPGA主控单元(2)输出两相幅度、载波频率、相位差连续可调的SPWM信号，SPWM信号经所述功率放大电路(3)和所述匹配电路(4)转化为两相正弦信号驱动超声电机运转；
所述编码器解析模块(5)获取超声电机的角位置信息；
所述电压电流采集模块(6)检测超声电机输入端的电压电流；
所述温度采集模块(7)敏感超声电机的定转子摩擦界面在运行过程中的温度变化；
所述孤极电压采集模块(8)通过超声电机定子上孤极电压的变化，检测定子的振动信号；
通过编码器解析模块(5)、电压电流采集模块(6)、温度采集模块(7)、孤极电压采集模块(8)获得的信号反馈至FPGA主控单元(2)后，经总线接口(1)输出至上位机，实现对超声电机性能的实时监测，同时可将多参数控制算法集成于FPGA主控单元(2)上用于对超声电机的精密伺服控制。
2.根据权利要求1所述的超声电机总线式驱动控制一体化电路，其特征在于：所述总线接口(1)采用符合国际标准的CANOpen协议作为应用层协议，采用分布式时钟同步控制可驱动多台超声电机。
3.根据权利要求1所述的超声电机总线式驱动控制一体化电路，其特征在于：所述功率放大电路(3)包括栅极驱动器U1、H桥电路、变压器T1，H桥电路由栅极驱动器U1驱动，输出的电压信号经变压器T1进一步放大。
4.根据权利要求1所述的超声电机总线式驱动控制一体化电路，其特征在于：所述匹配电路(4)包括电容C1、电感L1、电感L2，电感L1与电容C1串联，电感L2与超声电机并联，变压器T1一端与电感L1相连，另一端与电感L2连接，电容C1的另一端作为匹配电路的输出端连接超声电机。
5.根据权利要求1所述的超声电机总线式驱动控制一体化电路，其特征在于：所述编码器解析模块(5)支持包括方波TTL、串口以及SSI接口等绝对式编码器和增量式编码器的多种协议类型。
6.根据权利要求1所述的超声电机总线式驱动控制一体化电路，其特征在于：所述电压电流采集模块(6)包括电流传感芯片U2、电压互感芯片U4、偏置放大电路、压控振荡器，所述电流传感芯片U2串联于超声电机驱动信号输入端，所述电压互感芯片U4与超声电机两端并联，测量得到的两相电流电压信号经所述偏置放大电路放大后，由压控振荡器转换输出至FPGA主控单元(2)进行处理。
7.根据权利要求1所述的超声电机总线式驱动控制一体化电路，其特征在于：所述温度采集模块(7)通过嵌装于超声电机的薄膜温度传感器阻值变化转换为电压信号，得到超声电机运行过程中定转子摩擦界面的实时温度变化并实时进行补偿。
8.根据权利要求1所述的超声电机总线式驱动控制一体化电路，其特征在于：所述孤极电压反馈模块(8)采集超声电机压电陶瓷上的孤极电压信号并反馈至FPGA主控单元(2)，检测超声电机运转时的定子振幅。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190816 |