專利名稱：一種基于arm的超聲波電機(jī)嵌入式驅(qū)動(dòng)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種對(duì)超聲波電機(jī)進(jìn)行控制的裝置，尤其是涉及一種采用ARM微控制器和 uC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式控制器，以控制超聲波電機(jī)。
背景技術(shù)：
超聲波電機(jī)是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)的超聲振動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)力，靠振動(dòng) 部分和移動(dòng)部分之間的摩擦力耦合轉(zhuǎn)換成移動(dòng)體的旋轉(zhuǎn)或者直線運(yùn)動(dòng)的新型直接驅(qū)動(dòng) 微電機(jī)。它的特殊結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)原理決定了它的傳遞函數(shù)是非線性的。超聲波電機(jī)利用定 轉(zhuǎn)子之間的摩擦驅(qū)動(dòng)，而定轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)滑動(dòng)摩擦系數(shù)不能確定，而且電機(jī)諧振頻率 會(huì)隨著連續(xù)運(yùn)行時(shí)間的增加、溫度的升高而變化，同時(shí)由于壓力和摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩沿定子 環(huán)的分布性，超聲波電機(jī)本身呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性。并且由于超聲波電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及 工作原理與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)完全不同，理論上的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)數(shù)學(xué)模型難以建立，而傳統(tǒng) 的控制策略并不適用于超聲波電機(jī)的控制。
在本發(fā)明之前，縱觀國(guó)內(nèi)外對(duì)超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的研究，其實(shí)現(xiàn)的方法大體分為 兩大類 一類是利用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，由逆變來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的升壓、能量傳遞、阻抗匹配和 電源隔離，這種方法目前在國(guó)內(nèi)的行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)中使用比較廣泛；但是，這種 方法存在著硬件部分較為復(fù)雜，需要專用芯片和外圍電路組成波形發(fā)生模塊，導(dǎo)致整個(gè) 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的功耗較大等缺陷；另 一類是采用正弦波信號(hào)直接放大輸入超聲波電機(jī)。 這種方法目前采用直接數(shù)字合成技術(shù)(DDS),以模擬放大電路為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它們的控 制內(nèi)核大都采用單片機(jī)，也有的采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP;雖然這種方法實(shí)現(xiàn)控制算法 簡(jiǎn)單靈活，但成本太高，性價(jià)比差，無(wú)法廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是克服上述缺陷，提供一種基于ARM的超聲波電機(jī)嵌入式驅(qū)動(dòng)控制器。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種基于ARM的超聲波電機(jī)嵌入式驅(qū)動(dòng)控制器，其主要技術(shù)特征在于觸摸屏、鍵盤(pán) 分別接ARM微控制器的觸摸屏接口 、鍵盤(pán)接口 ； ARM微控制器輸出端分別接波形發(fā)生電 路、電壓控制電路的輸入端；波形發(fā)生電路、電壓控制電路的輸出端都接到功率電壓放 大電路的輸入端；功率放大電路的輸出端接超聲波電機(jī)M1，光電編碼器M2與超聲波電 機(jī)M1同軸設(shè)置，光電編碼器M2輸出端接ARM微控制器的輸入端。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果在于外圍電路簡(jiǎn)單、成本低、能夠通過(guò)人性化的人機(jī)交互實(shí)現(xiàn) 超聲波電機(jī)的速度與定位控制。本發(fā)明利用控制環(huán)形計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖頻率得到四路頻 率可編程控制的，相位依次相差90度的脈沖信號(hào)，再經(jīng)過(guò)變壓器耦合逆變放大技術(shù)得 到兩路相位相差90度、頻率可控的交流方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。同時(shí)，采用uC/OS-II實(shí)時(shí) 操作系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊子任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，并利用uC/GUI所提供的豐富的控件 功能，提供了簡(jiǎn)潔、友好的人機(jī)交互界面，具有根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)調(diào)頻、調(diào)壓功 能，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)地在液晶顯示器上顯示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行曲線。
本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和效果將在下面繼續(xù)說(shuō)明。


圖1_—本發(fā)明控制器的結(jié)構(gòu)原理方框示意圖。 圖2——本發(fā)明的具體電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
A賜微控制器是一種基于精解指令集計(jì)算機(jī)(RISC)原理而設(shè)計(jì)的高端微控制器， 指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡(jiǎn)單得多。這樣的簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)了高的指令 吞吐量、出色的中斷響應(yīng)、小的高性價(jià)比的處理器宏單元，上可跑操作系統(tǒng)，下可做實(shí) 時(shí)控制使用。這些優(yōu)點(diǎn)使得基于ARM的控制系統(tǒng)能夠輕松運(yùn)行復(fù)雜的控制算法，實(shí)現(xiàn)更 加精確的控制，這是普通單片機(jī)所不能完成的。與DSP相比，DSP主要是用來(lái)計(jì)算的， 比如進(jìn)行加密解密、調(diào)制解調(diào)等，優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運(yùn)行速度。而ARM 微控制器具有比較強(qiáng)的事務(wù)管理功能，可以用來(lái)跑界面以及應(yīng)用程序等，其優(yōu)勢(shì)主要體 現(xiàn)在控制方面，更加適合于工業(yè)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。另外，ARM微控制器架構(gòu)是面向低 預(yù)算市場(chǎng)設(shè)計(jì)的，成本要比DSP低得多。
因此，本發(fā)明就是用它來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的。
ARM微:控制器3是整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器的核心部分，它的作用是接受光電編碼器M2的速 度位置反饋信號(hào)，運(yùn)行算法，輸出頻率、轉(zhuǎn)向和起?？刂谱忠约癙WM脈沖，通過(guò)調(diào)整脈 沖占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能。波形發(fā)生電路4由一系列芯片組成，主要有D/A轉(zhuǎn)換器AD7541, V/F轉(zhuǎn)換器AD654和環(huán)形計(jì)數(shù)器CD40194。它的作用是接收頻率控制字信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn) 換成相應(yīng)電壓，再經(jīng)V/F轉(zhuǎn)換成可編程控制的頻率信號(hào)，該信號(hào)作為CD40194的脈沖信 號(hào)，產(chǎn)生四路相位依次差90度的脈沖信號(hào)。功率電壓放大電路6包括一個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯 片IR2103和變壓器，通過(guò)耦合逆變將四路脈沖轉(zhuǎn)換成兩路相位差90度的交流方波脈沖 信號(hào)。因?yàn)殡姍C(jī)近似于容性負(fù)載，所以加上電機(jī)后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)就近似于正弦波信號(hào)。ARM 微控制器3通過(guò)計(jì)算限定時(shí)間內(nèi)光電編碼器M2反饋的脈沖個(gè)數(shù)得出速度和位置信息。 ARM微控制器通過(guò)4 x 4鍵盤(pán)1和觸摸屏2輸入電機(jī)控制參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)。
下面詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
如圖1所示
觸摸屏1 、 4 x 4鍵盤(pán)2分別接ARM微控制器3的觸摸屏接口 、鍵盤(pán)接口 ， ARM微控 制器3是采用的S3C44B0X系列芯片，其主頻高達(dá)66MHz,具有0. 9MIBPS的指令執(zhí)行速 度，為復(fù)雜算法的加載提供了硬件基礎(chǔ)，它有71個(gè)通用輸入輸出口，本發(fā)明正是利用 其中的16位GPI0與外圍部件并行傳輸數(shù)據(jù)，它內(nèi)部的定時(shí)器及PWM模塊由5個(gè)P測(cè)定 時(shí)器和1通道內(nèi)部定時(shí)器組成，可以用來(lái)對(duì)外部脈沖定時(shí)計(jì)數(shù)和產(chǎn)生PWM波形；ARM微 控制器3輸出端GPIO(GPC0 15)接波形發(fā)生電路4以提供頻率、方向控制字。ARM微控 制器3輸出端定時(shí)器及PWM模塊連接電壓控制電路5的輸入端以提供PWM波形，波形發(fā) 生電路4和電壓控制電路5的輸出端都接到功率電壓放大電路6的輸入端，功率電壓放 大電路6的輸出端接超聲波電機(jī)Ml,速度位置反饋信號(hào)取自與超聲波電機(jī)M1同軸設(shè)置 的光電編碼器M2，光電編碼器M2的輸出端接ARM微控制器3的輸入端定時(shí)器及PWM模 塊，通過(guò)定時(shí)器5對(duì)脈沖計(jì)數(shù)。+12V的直流信號(hào)經(jīng)過(guò)電感電容得到穩(wěn)定的+12V的直流 信號(hào)，再經(jīng)過(guò)LM7805穩(wěn)壓管可以輸出穩(wěn)定的+12V和+5V信號(hào)，為各個(gè)集成電 供電 源信號(hào)。
如圖1、圖2所示
波形發(fā)生電路4由并口 D/A轉(zhuǎn)換器U3、三輸入端或非門(mén)U4、施密特觸發(fā)器U9、伏 頻轉(zhuǎn)換器U10和環(huán)形計(jì)數(shù)器U7組成。并口 D/A轉(zhuǎn)換器U3接收ARM微控制器3傳輸?shù)?2
位數(shù)據(jù)信息產(chǎn)生0-5V之間變化的電壓，該電壓經(jīng)伏頻轉(zhuǎn)換器U10轉(zhuǎn)換可得到頻率對(duì)應(yīng) 電壓比例變化的脈沖信號(hào)。三輸入端或非門(mén)U4與環(huán)形計(jì)數(shù)器U7連接構(gòu)成順序脈沖發(fā)生 器，在經(jīng)伏頻轉(zhuǎn)換器U10轉(zhuǎn)換得到的頻率信號(hào)驅(qū)動(dòng)下得到四路相位依次相差90度的脈 沖信號(hào)Q0-Q3，其中Q2、 Q3經(jīng)U9反向，得到Y(jié)2、 Y3， Y2與Q0組成a相，Y3與Ql組 成b相，得到新的兩相四路脈沖信號(hào)。
功率電壓放大電路6由N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管Q2-Q5,耦合升壓變壓器Tl、 T2、 肖特基二極管Dl D4和驅(qū)動(dòng)電路U5、 U6組成。a相兩路脈沖信號(hào)接U5輸入端，b相兩 路脈沖信號(hào)接驅(qū)動(dòng)電路U6輸入端，驅(qū)動(dòng)電路U5 、驅(qū)動(dòng)電路U6的輸出端接Q2 ~ Q5的柵 極，Q2-Q5源極和漏極與耦合升壓變壓器T1、 T2的輸入端相連接。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路U5、 驅(qū)動(dòng)電路U6的輸入輸出邏輯轉(zhuǎn)換、Q2-Q5的選通控制和T1、 T2的耦合逆變與放大得到 A、 B兩路交流方波^言號(hào)。IR2103 M0SFET驅(qū)動(dòng)電路U5、 U6。
電壓控制電路5由光電耦合集成芯片U2, PNP三極管Ql和其他電阻電容組成。光 電耦合集成芯片U2的輸入端接ARM微控制器3的定時(shí)器及PWM模塊，接收其產(chǎn)生的PWM 信號(hào)。其內(nèi)部的三級(jí)管集電極和發(fā)射極分別接三極管Ql的發(fā)射極和基極。三極管Ql的 集電極作為信號(hào)輸出端輸出voltage信號(hào)，該信號(hào)作為可受PWM波占空比控制的直流電 壓，接到耦合升壓變壓器Tl, T2的電源端可以起到電壓控制的作用。
光電編碼器M2的輸出端接波形發(fā)生電路4中的施密特觸發(fā)器U9的輸入端，U9輸出 fout信號(hào)。fout是光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)整形、反相后的脈沖信號(hào)，該信號(hào)接 ARM孩i控制器3的TCLK輸入端，通過(guò)ARM微控制器3的定時(shí)器及PWM模塊的定時(shí)器5 對(duì)外部脈沖的定時(shí)計(jì)數(shù)可以計(jì)算出電機(jī)的速度與位置。ARM微控制器3片內(nèi)ROM可以存 儲(chǔ)超聲波電機(jī)M1所停止的位置，便于下一次超聲波電機(jī)M1的定位。ARM微控制器3內(nèi) 部的LCD控制器可支持觸摸屏1輸入和LCD顯示。
超聲波電機(jī)M1的驅(qū)動(dòng)電壓要求為兩相正弦波。因?yàn)槌暡姍C(jī)M1本身呈容性，所 以驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以為方波信號(hào)，這樣就降低了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)難度。ARM微控制器3的控 制信號(hào)GPCO ~ GPC11經(jīng)過(guò)并口 D/A轉(zhuǎn)換器U3轉(zhuǎn)換成幅度可控的直流電壓信號(hào)。因?yàn)榛?準(zhǔn)電壓取+ 5V，所以輸出電壓范圍為0 ~ 5V。該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)》文后連接頻轉(zhuǎn)換器U10 的輸入端，從而轉(zhuǎn)換成頻率可控的脈沖信號(hào)，該信號(hào)作為環(huán)形計(jì)數(shù)器U7的時(shí)鐘信號(hào)。 環(huán)形計(jì)數(shù)器U7與波形發(fā)生電路4中的施密特觸發(fā)器U9構(gòu)成可以自啟動(dòng)的順序脈沖發(fā)生 器，在時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生四路相位依次相差90度的脈沖信號(hào)。這四路信號(hào)的其中兩 路經(jīng)波形發(fā)生電路4中的施密特觸發(fā)器U9反相后與其余兩路相位差相差180度，兩兩 組各成一相。以上構(gòu)成了弱電部分。每一相脈沖經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路U5或U6,作電壓的初步 放大，成為12V的方波信號(hào)，再經(jīng)過(guò)耦合升壓變壓器T1或T2成為交流方波信號(hào)，兩相 相位差90度。該信號(hào)可以作為超聲波電機(jī)M1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。光電編碼器M2通過(guò)計(jì)算限 定時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)得出超聲波電機(jī)Ml速度和位置信息，并反饋給ARM微控制器3。 ARM 微控制器3通過(guò)4 x 4鍵盤(pán)2和觸摸屏1輸入超聲波電機(jī)Ml控制參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)。
本發(fā)明的軟件部分主要分為L(zhǎng)CD顯示模塊、鍵盤(pán)輸入沖莫塊、觸摸屏才莫塊、波形發(fā) 生模塊、反饋計(jì)算模塊和算法模塊等六個(gè)模塊。系統(tǒng)的工作流程如下系統(tǒng)上電運(yùn)行后 LCD顯示歡迎界面，等待"歡迎進(jìn)入"的觸摸，然后進(jìn)入主控界面，主控界面最初所有 輸出值顯示為0,按下外部中斷O后進(jìn)入鍵盤(pán)輸入狀態(tài)，在所有輸入文本框全部輸入完 畢后，按下ENTER或CANCEL鍵后退出鍵盤(pán)輸入狀態(tài)，然后按下啟動(dòng)模式觸摸鍵啟動(dòng)電 機(jī)，這時(shí)主控界面可以動(dòng)態(tài)地顯示電機(jī)的運(yùn)行狀況，也可進(jìn)入實(shí)時(shí)曲線界面查看動(dòng)態(tài)曲 線。當(dāng)按下停機(jī)^#:后電機(jī)停止工作。觸摸屏和LCD的各項(xiàng)功能都是通過(guò)GUI里的函數(shù) 完成的。系統(tǒng)主程序工作在uC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下，負(fù)責(zé)各個(gè)子任務(wù)之間的
調(diào)度。任務(wù)之間的調(diào)度是通過(guò)uC/OS-II的兩個(gè)信號(hào)量函數(shù)OSSemPend ()和0SSemPost () 實(shí)現(xiàn)的。算法任務(wù)模塊分為速度控制和定位控制兩種情況。速度控制采用傳統(tǒng)PID算法 反饋控制。定位控制采用的辦法是將轉(zhuǎn)速設(shè)成五檔，按照實(shí)際位置與設(shè)定值之間的差值 決定工作在哪一檔。
權(quán)利要求
1. 一種基于ARM的超聲波電機(jī)嵌入式驅(qū)動(dòng)控制器，其特征在于觸摸屏、鍵盤(pán)分別接ARM微控制器的觸摸屏接口、鍵盤(pán)接口，ARM微控制器輸出端分別接波形發(fā)生電路、電壓控制電路，波形發(fā)生電路、電壓控制電路的輸出端都接到功率電壓放大電路的輸入端，功率放大電路的輸出端接超聲波電機(jī)M1，光電編碼器M2與超聲波電機(jī)M1同軸設(shè)置，光電編碼器M2輸出端接ARM微控制器的輸入端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM的超聲波電才幾嵌入式驅(qū)動(dòng)控制器，其特征在于 波形發(fā)生電路由并口 D/A轉(zhuǎn)換器U3、三輸入端或非門(mén)U4、施密特觸發(fā)器U9、伏頻轉(zhuǎn)換 器U10和環(huán)形計(jì)數(shù)器U7組成，三輸入端或非門(mén)U4與環(huán)形計(jì)數(shù)器U7連接構(gòu)成順序脈沖 發(fā)生器，在經(jīng)伏頻轉(zhuǎn)換器U10轉(zhuǎn)換得到的頻率信號(hào)驅(qū)動(dòng)下得到四路相位依次相差90度 的脈沖信號(hào)Q0-Q3，其中Q2、 Q3經(jīng)施密特觸發(fā)器U9反向，得到Y(jié)2、 Y3, Y2與QO組成 a相，Y3與Ql組成b相，形成新的兩相四路脈沖信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM的超聲波電機(jī)嵌入式驅(qū)動(dòng)控制器，其特征在于 功率電壓放大電路由N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管Q2-Q5，耦合升壓變壓器Tl、 T2，肖特基 二極管Dl-D4和驅(qū)動(dòng)電路U5、 U6組成，a ^目?jī)陕访}沖信號(hào)4妄驅(qū)動(dòng)電路U5輸入端，b 相兩路脈沖信號(hào)接驅(qū)動(dòng)電路U6輸入端，驅(qū)動(dòng)電路U5、驅(qū)動(dòng)電路U6的輸出端接Q2 ~Q5 的柵極，Q2 ~ Q5源極和漏極與耦合升壓變壓器Tl、 T2的輸入端相連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM的超聲波電機(jī)嵌入式驅(qū)動(dòng)控制器，其特征在于 電壓控制電路由光電耦合集成芯片U2， PNP三極管Ql組成，光電耦合集成芯片U2的輸 入端接ARM微控制器的PWM輸出引腳，Ql的集電極作為輸出端輸出voltage信號(hào)，接至 耦合升壓變壓器T1、 T2的電源輸入端。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ARM的超聲波電機(jī)嵌入式驅(qū)動(dòng)控剁器，其特征在于 光電編碼器M2的輸出端接ARM微控制器的定時(shí)器的外部脈沖輸入引腳。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用ARM微控制器和uC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式控制器，以控制超聲波電機(jī)。本發(fā)明觸摸屏、鍵盤(pán)接ARM微控制器觸摸屏接口、鍵盤(pán)接口；ARM微控制器輸出接波形發(fā)生電路、電壓控制電路的輸入端二者輸出接功率電壓放大電路，其輸出接超聲波電機(jī)M1，光電編碼器M2與超聲波電機(jī)M1同軸設(shè)置，光電編碼器M2輸出端接ARM微控制器的輸入端。本發(fā)明解決了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)存在的硬件部分較為復(fù)雜，需專用芯片和外圍電路、功耗較大；以及正弦波信號(hào)直接放大輸入超聲波電機(jī)存在的成本高、性價(jià)比差等缺陷。本發(fā)明具有外圍電路簡(jiǎn)單、成本低、能夠通過(guò)人性化的人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)超聲波電機(jī)的速度與定位控制，實(shí)時(shí)地在液晶顯示器上顯示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行曲線。
文檔編號(hào)H02N2/10GK101383566SQ200810122798
公開(kāi)日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2008年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月30日
發(fā)明者進(jìn) 從, 張新星, 段小匯, 莫岳平, 斌 蔣 申請(qǐng)人:揚(yáng)州大學(xué)