行波旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)相移pwm信號控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及行波旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種行波旋轉(zhuǎn)型超聲波電 機(jī)相移PWM信號控制器。
【背景技術(shù)】
[0002] 行波旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)（Travelling-waveRotation叫trasonicMotor,TRUM) 是一種廣泛應(yīng)用于高端精密運(yùn)動控制中的超聲波電機(jī)。因TRUM需要兩相互差90°的超聲 波頻段下的正弦電壓進(jìn)行驅(qū)動，驅(qū)動電路的性能直接影響電機(jī)整體的控制性能。目前，H橋 式驅(qū)動電路在輸出效率、電壓諧波、機(jī)端電壓線性度等方面將優(yōu)于應(yīng)用較為廣泛的推挽式 電路。但是，受電路結(jié)構(gòu)的約束W及驅(qū)動電路對控制信號的要求較高，目前的H橋PWM信號 控制器存在硬件電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜及軟件資源占用量大等問題，且輸出電壓頻率、相位不易 調(diào)節(jié)，影響TRUM控制的靈活性和效率。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 針對現(xiàn)有的TRUMH橋PWM信號控制器存在的硬件電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、軟件資源占用 量大，輸出電壓頻率、相位不易調(diào)節(jié)，影響TRUM控制的靈活性和效率等缺點(diǎn)。本實(shí)用新型擬 解決的技術(shù)問題是，提供了一種邏輯結(jié)構(gòu)簡單，頻率、相位靈活可控的TRUM相移PWM信號控 制器。
[0004] 本實(shí)用新型解決所述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，提供一種TRUM相移PWM信號 控制器，其特征在于該控制器包括CPLD、DSP和兩個H橋驅(qū)動巧片；所述CPLD中包含一個N 位計(jì)數(shù)器和四個N位比較觸發(fā)器，N位計(jì)數(shù)器的輸出端分別與四個N位比較觸發(fā)器的輸入 端相連，每兩個N位比較觸發(fā)器的輸出端均與同一個H橋驅(qū)動巧片的兩個輸入端相連；所述 DSP與CPLD相連，DSP均與N位計(jì)數(shù)器和四個N位比較觸發(fā)器的輸入端相連，所述DSP為N 位計(jì)數(shù)器提供時鐘和計(jì)數(shù)最大值，為四個N位比較觸發(fā)器提供輸出信號初值及偏移量。
[0005] 綜上，本實(shí)用新型所提出的TRUM相移PWM信號控制器具有硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，邏 輯設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度低的特點(diǎn)，其CPLD中的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅能夠靈活地實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)相的 功能，還可W實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。相比較現(xiàn)有技術(shù)減少了開發(fā)成本，提高了資源利用 率。
【附圖說明】
[0006] 圖1是本實(shí)用新型TRUM相移PWM信號控制器一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0007] 圖2是本實(shí)用新型控制器所控制的H橋驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)示意圖；
[000引 圖3是本實(shí)用新型TRUM相移PWM信號控制器的CPLD1的邏輯框圖；
[0009] 圖4是本實(shí)用新型TRUM相移PWM信號控制器的輸出信號示意圖；
[0010] 圖5是本實(shí)用新型TRUM相移PWM信號控制器中的計(jì)數(shù)器最大值max、偏移量Pi、 輸出信號Qi之間的關(guān)系圖；
[0011] 圖6是TRUM正反轉(zhuǎn)情況下的CPLD仿真波形圖；
[0012] 圖7是TRUM啟動和穩(wěn)定運(yùn)行情況下的CPLD仿真波形圖；
[001引圖中，1-CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件）、2-DSP(數(shù)字信號處理器）、3-H橋驅(qū)動巧片、 11-N位計(jì)數(shù)器、12-N位比較觸發(fā)器。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的描述，但并不W此作為對本實(shí)用 新型權(quán)利要求保護(hù)范圍的限定。
[0015] 本實(shí)用新型行波旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)（TRUM)相移PWM信號控制器（簡稱控制器，參 見圖1-7)包括CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件）1、DSP(數(shù)字信號處理器）2和兩個H橋驅(qū)動巧 片3;所述CPLD中包含一個N位計(jì)數(shù)器11和四個N位比較觸發(fā)器12,N位計(jì)數(shù)器11的輸 出端分別與四個N位比較觸發(fā)器12的輸入端相連，每兩個N位比較觸發(fā)器12的輸出端均 與同一個H橋驅(qū)動巧片3的兩個輸入端相連，由兩個H橋驅(qū)動巧片3轉(zhuǎn)換為兩個H橋驅(qū)動 電路的八路PWM控制信號；所述DSP2與CPLD1相連，DSP均與N位計(jì)數(shù)器和四個N位比 較觸發(fā)器的輸入端相連；所述DSP2為N位計(jì)數(shù)器11提供時鐘和計(jì)數(shù)最大值max,為四個N 位比較觸發(fā)器12提供輸出信號初值化。及偏移量P1。此外，DSP2還提供給CPLD中的N位 計(jì)數(shù)器11和四個N位比較觸發(fā)器12 -路復(fù)位信號R，控制N位計(jì)數(shù)器11和N位比較觸發(fā) 器12復(fù)位。
[0016] 本實(shí)用新型的進(jìn)一步特征在于所述DSP2的型號為TMS320LF2407A，CPLD1的型號 為EPM7256AETC100,H橋驅(qū)動巧片3的型號為HIP4081A。其中HIP4081A可通過自舉電路 拉高上橋臂MOSFET(金氧半場效晶體管）的柵源電壓，保證上橋臂的正常開關(guān)，其內(nèi)部結(jié) 構(gòu)還包含一組橋臂死區(qū)時間的硬件設(shè)置，同時HIP4081A具有能控制所有輸入的禁止引腳 DIS(使能端），該引腳為1時即可關(guān)斷H橋的所有MOSFET，實(shí)現(xiàn)電機(jī)停車的即時控制或者外 接其他電路組成保護(hù)電路。
[0017] 本實(shí)用新型相移PWM信號產(chǎn)生的過程和原理是；N位計(jì)數(shù)器11的計(jì)數(shù)時鐘C化和 計(jì)數(shù)最大值max由DSP2提供，N位計(jì)數(shù)器11按時鐘C化的上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)，N位計(jì)數(shù)器計(jì) 數(shù)值cnt達(dá)到max后清零，計(jì)數(shù)值cnt分別輸出給四個N位比較觸發(fā)器12,四個N位比較 觸發(fā)器12分別對計(jì)數(shù)值cnt與DSP提供的4個偏移量Pi(i= 0,1，. . .，3,Pi<max)進(jìn)行 比較，當(dāng)cnt=p府，令輸出信號Q禪轉(zhuǎn)，即邏輯"0"變換為邏輯"1"，邏輯"1"變換為邏 輯"0"。輸出信號A的初值Qw也由DSP提供。該樣，計(jì)數(shù)器每從0計(jì)到max,四路輸出信 號A均將在固定的時刻執(zhí)行一次翻轉(zhuǎn)，于是產(chǎn)生四路占空比為50%的PWM信號，其相位由 偏移量P典及Q1。決定，可通過Pi的設(shè)置靈活調(diào)節(jié)，Qi的頻率取決于時鐘頻率f。1山及計(jì)數(shù) 上限max(參見公式（1)):
[誦]尤去 …
[0019] 因此通過調(diào)節(jié)max的值可W實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，實(shí)現(xiàn)輸出信號的相位頻率的靈活調(diào)節(jié)。
[0020] 四路輸出信號A分為兩組，Q。和QiW及Q2和Q3,分別輸出給兩個H橋驅(qū)動巧片3， 由該H橋驅(qū)動巧片3將輸出的信號化轉(zhuǎn)換為每個H橋中四個MOSFET的控制信號，從而實(shí) 現(xiàn)對TRUMH橋驅(qū)動電路的控制。
[0021] 圖1所示實(shí)施例表明，該控制器由CPLDUDSP2和兩個H橋驅(qū)動巧片3實(shí)現(xiàn)，CPLDl 中包含一個N位計(jì)數(shù)器11和四個N位比較觸發(fā)器12,DSP2與CPLD1相連，DSP2為N位計(jì) 數(shù)器11提供時鐘和計(jì)數(shù)最大值max,為四個N位比較觸發(fā)器12提供控制信號和所需數(shù)值 (輸出信號初值Qk)及偏移量P1)，DSP2具有一個使能端DIS。CPLD中N位計(jì)數(shù)器11的輸出 端和四個N位比較觸發(fā)器12的輸入端相連，四個N位比較觸發(fā)器12輸出的四路信號斯-93 分別提供給兩個H橋驅(qū)動巧片3,每個由H橋驅(qū)動巧片3均有兩個輸入端（ALI和化I)和 一個使能端DIS及四個輸出端（AHO、ALO、BLO和肌0)，通過H橋驅(qū)動巧片3將兩個輸入信 號轉(zhuǎn)換為兩對互補(bǔ)的PWM控制信號，即兩個H橋驅(qū)動巧片可輸出八路PWM控制信號（PWM1、 PWM2、…、PWM8)，該八路PWM控制信號（PWM1、PWM2、…、PWM8)對應(yīng)供給圖2所示的H橋 驅(qū)動電路。
[002引圖2所示實(shí)施例是本實(shí)用新型所控制的TRUMH橋驅(qū)動電路，該H橋驅(qū)動電路Ml~M8八個M0SFET(金氧半場效晶體管）分兩組構(gòu)成兩個H橋，分別對于T抓M的A、B兩相，在 八路PWM控制信號PWM1、PWM2、…、PWM8的控制下，將直流電轉(zhuǎn)化為互差90。的兩相高頻 方波驅(qū)動電壓U。，再通過升壓變壓器Ta、町升壓，利用串聯(lián)匹配電感LA、Le和TRUM兩相中的 容性壓電陶瓷構(gòu)成的LC諧振電路，實(shí)現(xiàn)二次升壓，并使得TRUM兩相輸入端的電壓近似正弦 波。
[002引圖3所示實(shí)施例表明，為了實(shí)現(xiàn)圖1中供給HIP4081A的4路頻率可控但存在相位 差的PWM信號，本實(shí)用新型將采用一種資源占用量較少的方法來實(shí)現(xiàn)，其CPLD邏輯結(jié)構(gòu)如 圖3所示。在CPLD中設(shè)計(jì)一個N位的可控單增計(jì)數(shù)器，該N位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時鐘C化和計(jì) 數(shù)最大值max及復(fù)位信號R由DSP提供，N位計(jì)數(shù)器按時鐘C化的上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器 計(jì)數(shù)值cnt達(dá)到max后清零，計(jì)數(shù)值cnt分別輸出給四個N位比較觸發(fā)器12,四個N位比較 觸發(fā)器12分別對計(jì)數(shù)值cnt與DSP提供的4個偏移量Pi(i= 0,1，. . .，3,Pi<max)進(jìn)行 比較，當(dāng)cnt=p府，令輸出信號Q禪轉(zhuǎn)，即邏輯"0"變換為邏輯"1"，邏輯"1"變換為邏 輯"0"。其中max可調(diào)，計(jì)數(shù)器的上限值對應(yīng)PWM信號的半個周期，通過調(diào)整計(jì)數(shù)器的上限 值max,可W靈活地實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功能。
[0024] 圖4所示實(shí)施例表明，在WA相H橋?yàn)槔闆r下，供給HIP4081A的兩路PWM信號 Q〇、Qi與H橋上橋臂所需信號相同，即PWM1和PWM3,a為兩個信號的相位差，決定了輸出方 波電壓U。的占空比。B相同理，其與A相互差90。。
[0025] 圖5所示實(shí)施例表明了計(jì)數(shù)器最大值max、偏移量Pi、輸出信號化之間的關(guān)系，計(jì) 數(shù)器每從0計(jì)滿max,就會自動清零，再從0開始計(jì)數(shù)，偏移量Pi的值提前設(shè)定，且可調(diào)，當(dāng) 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值等于偏移量的值時，輸出信號化翻轉(zhuǎn)，且一個周期內(nèi)4路信號Qi均將在固 定的計(jì)數(shù)值處執(zhí)行一次翻轉(zhuǎn)（如圖4所示），于是產(chǎn)生四路占空比為50%的方波信號，其相 位由偏移量PiW及Qi的設(shè)定初值決定，因此可W方便地調(diào)節(jié)相位差。其中Qi的頻率取決 于時鐘頻率ftikW及計(jì)數(shù)上限max;
[0026]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種行波旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)相移PWM信號控制器，其特征在于該控制器包括CPLD、 DSP和兩個H橋驅(qū)動芯片；所述CPLD中包含一個N位計(jì)數(shù)器和四個N位比較觸發(fā)器，N位計(jì) 數(shù)器的輸出端分別與四個N位比較觸發(fā)器的輸入端相連，每兩個N位比較觸發(fā)器的輸出端 均與同一個H橋驅(qū)動芯片的兩個輸入端相連；所述DSP與CPLD相連，DSP均與N位計(jì)數(shù)器 和四個N位比較觸發(fā)器的輸入端相連，所述DSP為N位計(jì)數(shù)器提供時鐘和計(jì)數(shù)最大值，為四 個N位比較觸發(fā)器提供輸出信號初值及偏移量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的行波旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)相移PWM信號控制器，其特征在于所 述DSP還提供給N位計(jì)數(shù)器和四個N位比較觸發(fā)器一路復(fù)位信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的行波旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)相移PWM信號控制器，其特征在 于所述DSP的型號為TMS320LF2407A，CPLD的型號為EPM7256AETC100,H橋驅(qū)動芯片的型號 為HIP4081A。
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及行波旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)相移PWM信號控制器，其特征在于該控制器包括CPLD、DSP和兩個H橋驅(qū)動芯片；所述CPLD中包含一個N位計(jì)數(shù)器和四個N位比較觸發(fā)器，N位計(jì)數(shù)器的輸出端分別與四個N位比較觸發(fā)器的輸入端相連，每兩個N位比較觸發(fā)器的輸出端均與同一個H橋驅(qū)動芯片的兩個輸入端相連；所述DSP與CPLD相連，DSP均與N位計(jì)數(shù)器和四個N位比較觸發(fā)器的輸入端相連，所述DSP為N位計(jì)數(shù)器提供時鐘和計(jì)數(shù)最大值，為四個N位比較觸發(fā)器提供輸出信號初值及偏移量。
【IPC分類】H02N2-14, H02N2-16
【公開號】CN204465384
【申請?zhí)枴緾N201520200330
【發(fā)明人】董硯, 荊鍇, 鄭易, 李國慶, 石樂樂, 顏冬
【申請人】河北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年4月6日