[发明专利]一种嵌入式超声电机双自由度平台驱动控制器

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制应用于双自由度超声电机平台的驱动器能够实现高性能、高精度转速稳定性的硬件配置和与之相匹配的软件控制方法，属于超声电机驱动控制领域。

背景技术

超声电机是一种压电陶瓷作动激发弹性体共振模态产生亚微米级变形的周期性行波，再通过摩擦力做功的电机。与传统电机相比，超声电机具有低转速、力矩/质量比大、响应速度快、停电自锁、纳米级分辨率、无电磁干扰等特点。采用两台超声电机的双自由度平台可以实现平台的高精度快速跟踪定位，在生物医学、半导体封装和航空航天等领域有广阔的应用前景。

超声电机需要由超声电机驱动器提供两路正交相位的超声频率来驱动工作。采用两台超声电机的双自由度平台，传统采用两个驱动器来分别驱动两台超声电机，一个驱动器控制一个自由度(X向)的超声电机，而另一驱动器控制另一个自由度(Y向)的超声电机，然后再用一个微控制器来实现平台的传感器信号采集和定位跟踪控制，整体上使得平台驱动控制系统体积比较大，不易实现调频、调压和调相组合的控制策略，控制算法效率底，并且故障率高。使用本发明的采用基于单片DSP芯片的超声电机双自由度平台驱动控制器可以同时控制X向、Y向平台超声电机的实时联动和协同控制，控制电路结构相对简单，成本更低，使用一个DSP，不存在同步性问题，控制精度更高，更利于驱动电路的集成化，小型化。电机的双层闭环反馈控制更有利于实现高精度及高分辨率平台驱动纳米定位。

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种采用嵌入式微处理器DSP控制超声电机双自由度平台的驱动控制器，其可以通过一个DSP芯片的四组EPWM信号同时控制平台X向及Y向的两台超声电机。

技术内容

为了解决上述的技术问题，本发明的嵌入式超声电机双自由度平台驱动控制器包括外部晶振输入单元、嵌入式微处理器和功率放大及匹配单元，所述的外部晶振输入单元发出的时钟信号经过嵌入式微处理器中的EPWM时钟单元分配至第一EPWM模块、第二EPWM模块、第三EPWM模块和第四EPWM模块；

所述的第一EPWM模块的输出信号经过功率放大及匹配单元中的第一功率放大及匹配模块处理后向待控制的第一超声电机产生第一驱动信号；

所述的第二EPWM模块的输出信号经过功率放大及匹配单元中的第二功率放大及匹配模块处理后向待控制的第一超声电机产生第二驱动信号，所述的第二驱动信号与第一驱动信号相位差为90°；

所述的第三EPWM模块的输出信号经过功率放大及匹配单元中的第三功率放大及匹配模块处理后向待控制的第二超声电机产生第三驱动信号；

所述的第四EPWM模块的输出信号经过功率放大及匹配单元中的第四功率放大及匹配模块处理后向待控制的第二超声电机产生第四驱动信号，所述的第四驱动信号与第三驱动信号相位差为90°。

所述的晶振、EPWM模块、功率放大及匹配模块、超声电机、反馈信号整形及正反转补偿模块和运放比较器组成了闭环系统，实现电机驱动频率的连续可变调节，实现了高性能转速控制。

更进一步地，还包括信号反馈补偿处理单元，所述信号反馈补偿处理单元包括第一反馈信号整形及正反转补偿模块、第二反馈信号整形及正反转补偿模块和速度调节单元，所述的速度调节单元包括第一速度调节模块和第二速度调节模块；

更进一步地，待控制的第一超声电机的运行状态孤极反馈信号通过所述的第一反馈信号整形及正反转补偿模块处理后输入第一运放比较器模块反相输入端，第一速度调节模块的输出信号输入第一运放比较器模块同相输入端，第一运放比较器模块的输出信号输入嵌入式微处理器中的ADC模块；

更进一步地，待控制的第二超声电机的运行状态孤极反馈信号通过所述的第二反馈信号整形及正反转补偿模块处理后输入第二运放比较器模块的反相输入端，第二速度调节模块的输出信号输入第二运放比较器模块的同相输入端，第二运放比较器模块的输出信号输入嵌入式微处理器中的ADC模块。

更进一步地，所述的第一反馈信号整形及正反转补偿模块通过第一开关的进行正反转速度补偿切换；所述的第二反馈信号整形及正反转补偿模块通过第二开关的进行正反转速度补偿切换。第一、第二反馈信号整形及正反转补偿模块可以根据开关的状态自动实现正反转速度补偿。

更进一步地，所述的第一功率放大及匹配模块、第二功率放大及匹配模块、第三功率放大及匹配模块和第四功率放大及匹配模块中，外界输入的两路驱动信号分别经过两个MOSFET管进行推挽放大后再经一升压变压器升压，再通过一并联电感匹配后施加于待控制电机。