[发明专利]一种基于ARM的超声波电机嵌入式驱动控制器

说明书

技术领域

本发明是一种对超声波电机进行控制的装置，尤其是涉及一种采用ARM微控制器和uC/OS-II嵌入式实时操作系统的嵌入式控制器，以控制超声波电机。

背景技术

超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应激发的超声振动作为驱动力，靠振动部分和移动部分之间的摩擦力耦合转换成移动体的旋转或者直线运动的新型直接驱动微电机。它的特殊结构和驱动原理决定了它的传递函数是非线性的。超声波电机利用定转子之间的摩擦驱动，而定转子之间的相对滑动摩擦系数不能确定，而且电机谐振频率会随着连续运行时间的增加、温度的升高而变化，同时由于压力和摩擦驱动转矩沿定子环的分布性，超声波电机本身呈现出复杂的非线性。并且由于超声波电机的基本结构及工作原理与传统的电磁电机完全不同，理论上的动态及静态数学模型难以建立，而传统的控制策略并不适用于超声波电机的控制。

在本发明之前，纵观国内外对超声波电机驱动控制的研究，其实现的方法大体分为两大类：一类是利用开关电源技术，由逆变来实现电压的升压、能量传递、阻抗匹配和电源隔离，这种方法目前在国内的行波型超声波电机驱动中使用比较广泛；但是，这种方法存在着硬件部分较为复杂，需要专用芯片和外围电路组成波形发生模块，导致整个驱动控制系统的功耗较大等缺陷；另一类是采用正弦波信号直接放大输入超声波电机。这种方法目前采用直接数字合成技术(DDS)，以模拟放大电路为基础来实现。它们的控制内核大都采用单片机，也有的采用数字信号处理器DSP；虽然这种方法实现控制算法简单灵活，但成本太高，性价比差，无法广泛应用。

发明内容

本发明的目的就是克服上述缺陷，提供一种基于ARM的超声波电机嵌入式驱动控制器。

本发明的技术方案是：

一种基于ARM的超声波电机嵌入式驱动控制器，其主要技术特征在于触摸屏(1)、键盘分别接ARM微控制器(3)的触摸屏接口、键盘接口，ARM微控制器(3)输出端分别接波形发生电路(4)、电压控制电路(5)，波形发生电路(4)、电压控制电路(5)的输出端都接到功率电压放大电路(6)的输入端，功率放大电路(6)的输出端接超声波电机M1，光电编码器M2与超声波电机M1同轴设置，光电编码器M2输出端接ARM微控制器(3)的输入端；

波形发生电路(4)由并口D/A转换器U3、三输入端或非门U4、施密特触发器U9、伏频转换器U10和CD40194环形计数器U7组成；三输入端或非门U4与CD40194环形计数器U7连接构成顺序脉冲发生器，在经伏频转换器U10转换得到的频率信号驱动下得到四路相位依次相差90度的脉冲信号Q0～Q3，其中脉冲信号Q2、Q3经施密特触发器U9反向，得到反向脉冲信号Y2、Y3，反向脉冲信号Y2与脉冲信号Q0组成a相，反向脉冲信号Y3与脉冲信号Q1组成b相，得到新的两相四路脉冲信号；

电压控制电路(5)由光电耦合集成芯片U2，PNP三极管p1组成，光电耦合集成芯片U2的输入端接ARM微控制器的PWM输出引脚，PNP三极管p1的集电极作为输出端输出voltage信号，该信号作为耦合升压变压器T1、T2的电源信号。通过改变PWM的占空比实现电源电压幅度的控制功能；

功率电压放大电路(6)由N沟道增强型场效应管Qq2～Qq5，耦合升压变压器T1、T2，肖特基二极管D1～D4和IR2103MOSFET驱动电路U5、U6组成，a相两路脉冲信号接驱动电路U5输入端，b相两路脉冲信号接驱动电路U6输入端，驱动电路U5、U6的输出端接N沟道增强型场效应管q2～q5的栅极，N沟道增强型场效应管q2～q5源极和漏极与耦合升压变压器T1、T2的输入端相连接，通过驱动电路U5、U6的输入输出逻辑转换、N沟道增强型场效应管q2～q5的选通控制和升压变压器T1、T2的耦合逆变与放大得到A、B两路交流方波信号。

本发明的优点和效果在于外围电路简单、成本低、能够通过人性化的人机交互实现超声波电机的速度与定位控制。本发明利用控制环形计数器的时钟脉冲频率得到四路频率可编程控制的，相位依次相差90度的脉冲信号，再经过变压器耦合逆变放大技术得到两路相位相差90度、频率可控的交流方波信号驱动电机。同时，采用uC/OS-II实时操作系统对控制系统的各个模块子任务进行调度，并利用uC/GUI所提供的丰富的控件功能，提供了简洁、友好的人机交互界面，具有根据电机的运行状态自动调频、调压功能，同时能够实时地在液晶显示器上显示电机的运行状态和运行曲线。

本发明的其它优点和效果将在下面继续说明。

附图说明