CN106959708A - 超声电机驱动的捷联式三自由度自稳平台驱动控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声电机驱动的捷联式三自由度自稳平台驱动控制器，它主要包括了嵌入式微处理器、功率放大与匹配电路以及参数采集电路。由嵌入式微处理器的内部产生的时钟信号经过ePWM模块的时钟单元分配产生6路ePWM信号。微处理器的内部模块可以根据传感器所采集的平台运动参数进行姿态解算，并根据解算结果对ePWM信号的频率进行实时调节，实现对驱动自稳平台超声电机的高性能、高稳定性控制的目标。并且嵌入式微处理器可以实现与上位机的实时通信，实现远程控制指令的发送与接收以及实时监控电机的运行状态。本发明可以同时控制三个方向上超声电机的实时联动，控制电路结构简单、成本较低，利于驱动电路的集成化和小型化。

Description

超声电机驱动的捷联式三自由度自稳平台驱动控制器

技术领域

本发明涉及超声电机驱动控制领域，具体是一种超声电机驱动的捷联式三自由度自稳平台驱动控制器。

背景技术

超声电机是一种新型电机，它利用了压电材料的逆压电效应，在压电材料上施加交流信号产生交变电场，进而激发出压电材料在超声频段内的振动，并将这一振动放大，通过摩擦作用转换为电机转子的运动，作为功率输出并驱动其他负载。与传统电机相比，超声电机具有低转速、大力矩、响应速度快、断电自锁、无电磁干扰等优点。采用三台超声电机驱动的三自由度自稳平台可以实现平台的高精度快速跟踪定位，在航空航天领域有着广泛的应用前景。

超声电机需要由两路正交相位的超声频段的交流信号来驱动工作。三自由度平台需要由三个电机驱动转动，传统做法采用三个独立的驱动控制器分别驱动三个电机，然后再使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，整体上平台驱动控制系统体积较大，不易实现调压、调频、调相组合的控制方法，控制算法效率较低，且故障率较高。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种超声电机驱动的捷联式三自由度自稳平台驱动控制器，通过一个DSP芯片产生六路ePWM信号同时控制平台上三相超声电机，控制电路结构简单，成本较低，使用一块DSP芯片不存在同步性问题且控制精度较高，同时采用捷联式结构可以简化平台上的机械结构，更有利于驱动电路集成化、小型化。

本发明包括嵌入式微处理器和功率放大匹配电路，嵌入式微处理器将其内部时钟信号在ePWM模块分别分配至第一ePWM模块、第二ePWM模块、第三ePWM模块、第四ePWM模块、第五ePWM模块和第六ePWM模块；

第一、第二ePWM模块的输出信号经过功率放大匹配电路中进行功率放大和匹配后向待控制的第一超声电机产生两路相位差为π/2（90°）的驱动信号；

第三、第四ePWM模块的输出信号经过功率放大匹配电路中进行功率放大和匹配后向待控制的第二超声电机产生两路相位差为π/2（90°）的驱动信号；

第五、第六ePWM模块的输出信号经过功率放大匹配电路中进行功率放大和匹配后向待控制的第三超声电机产生两路相位差为π/2（90°）的驱动信号。

进一步改进，所述的嵌入式微处理器连接有参数采集电路，所述的参数采集电路包括陀螺仪传感器模块、第一磁旋转编码器模块、第二磁旋转编码器模块和第三磁旋转编码器模块；

陀螺仪传感器模块安装在自稳平台基座上通过I2C总线与嵌入式微处理器相连接，测量基座运动的角速度；

第一磁旋转编码器模块安装在第一超声电机转轴上，通过SPI与嵌入式微处理器相连接，测量第一超声电机的转动角度；

第二磁旋转编码器模块安装在第二超声电机转轴上，通过SPI与嵌入式微处理器相连接，测量第二超声电机的转动角度；

第三磁旋转编码器模块安装在第三超声电机转轴上，通过SPI与嵌入式微处理器相连接，测量第三超声电机的转动角度；

进一步改进，所述的嵌入式微处理器连接有速度补偿处理单元，速度补偿处理单元包含补偿模块开关和速度调节单元，所述的速度调节单元包括第一速度调节模块、第二速度调节模块和第三速度调节模块；

以上所述的ePWM模块，功率放大匹配单元、超声电机、三轴稳定平台、参数采集电路组成一个闭环系统，实现了超声电机的高性能转速控制。

待控制的第一超声电机的转速由第一速度调节模块手动控制，第一速度调节模块的输出信号进入嵌入式微处理器的ADC模块；所述的第一速度调节模块通过第一开关实现第一超声电机是否转动及转动转向的控制。

待控制的第二超声电机的转速由第二速度调节模块手动控制，第二速度调节模块的输出信号进入嵌入式微处理器的ADC模块；所述的第二速度调节模块通过第二开关实现第二超声电机是否转动及转动转向的控制。

待控制的第三超声电机的转速可以由第三速度调节模块手动控制，第三速度调节模块的输出信号进入嵌入式微处理器的ADC模块。所述的第三速度调节模块通过第三开关实现第三超声电机是否转动及转动转向的控制。

进一步改进，所述的功率放大匹配电路中，同一待控制的电机上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过升压变压器升压，在通过一个并联电感匹配后施加于待控制的电机。所述的MOSFET管和升压变压器之间设有脉冲吸收电路。

本发明中用到的陀螺仪传感器以及三块磁旋转编码器分别采集稳定平台的基体与各轴电机的运动参数，这些参数分别通过I2C模块和SPI模块传输给DSP芯片，运用DSP强大的运算能力对采集到的的运动参数进行姿态解算，根据姿态解算的结果配合实时控制算法实现对稳定平台电机转速与转向的控制，进而实现平台的精确闭环控制，完成平台的机械系统与控制系统的配合。

驱动核心采用了运算功能强大的DSP芯片（型号为TMS320F28069），DSP芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的乘法器，可以用来快速实现各种数据处理算法。

本发明有益效果在于：本发明将超声电机这一上个世纪80年代发展起来的新型作动器运用到三轴稳定平台上，结合稳定平台的需要发挥出超声电机断电自锁、高速响应、高精度定位控制的优点。通过一个DSP芯片产生六路ePWM信号同时控制平台上三相超声电机，控制电路结构简单，成本较低，使用一块DSP芯片不存在同步性问题且控制精度较高，同时采用捷联式结构可以简化平台上的机械结构，更有利于驱动电路集成化、小型化。

附图说明

图1为本发明的控制器总体原理框图。

图2为本发明驱动控制器结构图。

图3为本发明控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

如图1所示，本例所实施的超声电机驱动三自由度稳定平台的驱动控制器主要包含一个控制核心DSP芯片，两个参数采集模块：角速度传感器与角度传感器，以及一个功率放大匹配模块。

如图2所示，所述的微处理器DSP将其内部时钟信号在ePWM模块分别分配至第一ePWM模块、第二ePWM模块、第三ePWM模块、第四ePWM模块、第五ePWM模块、第六ePWM模块；

第一、第二ePWM模块的输出信号经过功放/匹配电路后经过功率放大和匹配后向待控制的第一超声电机产生两路相位差为π/2的驱动信号；

第三、第四ePWM模块的输出信号经过功放/匹配电路后经过功率放大和匹配后向待控制的第二超声电机产生两路相位差为π/2的驱动信号；

第五、第六ePWM模块的输出信号经过功放/匹配电路后经过功率放大和匹配后向待控制的第三超声电机产生两路相位差为π/2的驱动信号。

稳定平台的基座运动参数由陀螺仪传感器采集，并通过I2C接口输入到微处理器芯片。

待控制的第一超声电机所安装框架的运动参数由第一磁旋转编码器采集，并通过SPI接口输入微处理器芯片，在芯片内部结合基座运动参数以及第一电机所安装框架的转动角度通过捷联算法得到该框架的转动速度。

待控制的第二超声电机所安装框架的运动参数由第二磁旋转编码器采集，并通过SPI接口输入微处理器芯片，在芯片内部结合基座运动参数以及第一和第二电机所安装框架的转动角度通过捷联算法得到该框架的转动速度。

待控制的第三超声电机所安装框架的运动参数由第三磁旋转编码器采集，并通过SPI接口输入微处理器芯片，在芯片内部结合基座运动参数以及第一、第二和第三电机所安装框架的转动角度通过捷联算法得到该框架的转动速度。

将第一超声电机安装框架的角速度与稳定平台达到稳定所需的参数进行比较，在微处理器内部经过一定的控制算法处理后得到经过调节后的第一超声电机所需的驱动信号频率，并根据这一频率调节第一、第二ePWM信号的输出频率。

将第二超声电机安装框架的角速度与稳定平台达到稳定所需的参数进行比较，在微处理器内部经过一定的控制算法处理后得到经过调节后的第二超声电机所需的驱动信号频率，并根据这一频率调节第三、第四ePWM信号的输出频率。

将第三超声电机安装框架的角速度与稳定平台达到稳定所需的参数进行比较，在微处理器内部经过一定的控制算法处理后得到经过调节后的第三超声电机所需的驱动信号频率，并根据这一频率调节第五、第六ePWM信号的输出频率。

为了增强稳定平台的可调节性还添加了手动调节模块，待控制的第一超声电机的转速由第一速度调节模块控制，第一速度调节模块的调节信号由嵌入式微处理器的ADC采集。

待控制的第二超声电机的转速由第二速度调节模块控制，第二速度调节模块的调节信号由嵌入式微处理器的ADC采集。

待控制的第三超声电机的转速由第三速度调节模块控制，第三速度调节模块的调节信号由嵌入式微处理器的ADC采集。

所述的第一速度调节模块通过第一开关进行正反转向切换；所述的第二速度调节模块通过第二开关进行正反转向切换；所述的第三速度调节模块通过第三开关进行正反转向切换。

由其中的第一超声电机的驱动控制为例对本发明的技术方案进行进一步的具体说明，控制流程如图3所示。采用DSP处理器，芯片的内部时钟进入带死区的ePWM1和ePWM2模块，ePWM1和ePWM2模块初始化时设置好分频比、占空比和死区大小。并且设置ePWM1的初始相位为0，ePWM2的初始相位为π/2，且两个模块的时钟信号同步。由陀螺仪传感器和磁旋转编码器采集稳定平台的运动参数，经过运算处理后与目标转动角速度进行对比，将产生的误差值经过PID控制器运算后作用在PWM信号的频率上，重新调节ePWM模块的计数器参考值以改变信号频率，进而改变超声电机的运动状态，实现对目标状态的高精度跟踪。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种超声电机驱动的捷联式三自由度自稳平台驱动控制器，其特征在于：包括嵌入式微处理器、功率放大匹配电路和参数采集电路，嵌入式微处理器将其内部时钟信号在ePWM模块分别分配至第一ePWM模块、第二ePWM模块、第三ePWM模块、第四ePWM模块、第五ePWM模块和第六ePWM模块；

第一、第二ePWM模块的输出信号经过功率放大匹配电路中进行功率放大和匹配后向待控制的第一超声电机产生两路相位差为π/2的驱动信号；

第三、第四ePWM模块的输出信号经过功率放大匹配电路中进行功率放大和匹配后向待控制的第二超声电机产生两路相位差为π/2的驱动信号；

第五、第六ePWM模块的输出信号经过功率放大匹配电路中进行功率放大和匹配后向待控制的第三超声电机产生两路相位差为π/2的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的超声电机驱动的捷联式三自由度自稳平台驱动控制器，其特征在于：所述的参数采集电路包括陀螺仪传感器模块、第一磁旋转编码器模块、第二磁旋转编码器模块和第三磁旋转编码器模块；

陀螺仪传感器模块安装在自稳平台基座上通过I2C总线与嵌入式微处理器相连接，测量基座运动的角速度；

第一磁旋转编码器模块安装在第一超声电机转轴上，通过SPI与嵌入式微处理器相连接，测量第一超声电机的转动角度；

第二磁旋转编码器模块安装在第二超声电机转轴上，通过SPI与嵌入式微处理器相连接，测量第二超声电机的转动角度；

第三磁旋转编码器模块安装在第三超声电机转轴上，通过SPI与嵌入式微处理器相连接，测量第三超声电机的转动角度。

3.根据权利要求1所述的超声电机驱动的捷联式三自由度自稳平台驱动控制器，其特征在于：所述的嵌入式微处理器连接有速度补偿处理单元，速度补偿处理单元包含补偿模块开关和速度调节单元，所述的速度调节单元包括第一速度调节模块、第二速度调节模块和第三速度调节模块；

待控制的第一超声电机的转速由第一速度调节模块手动控制，第一速度调节模块的输出信号进入嵌入式微处理器的ADC模块；

待控制的第二超声电机的转速由第二速度调节模块手动控制，第二速度调节模块的输出信号进入嵌入式微处理器的ADC模块；

待控制的第三超声电机的转速可以由第三速度调节模块手动控制，第三速度调节模块的输出信号进入嵌入式微处理器的ADC模块。

4.根据权利要求3所述的超声电机驱动的捷联式三自由度自稳平台驱动控制器，其特征在于：所述的第一速度调节模块通过第一开关实现第一超声电机是否转动及转动转向的控制；

所述的第二速度调节模块通过第二开关实现第二超声电机是否转动及转动转向的控制；

所述的第三速度调节模块通过第三开关实现第三超声电机是否转动及转动转向的控制。

5.根据权利要求1所述的超声电机驱动的捷联式三自由度自稳平台驱动控制器，其特征在于：所述的功率放大匹配电路中， 同一待控制的电机上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过升压变压器升压，在通过一个并联电感匹配后施加于待控制的电机。

6.根据权利要求1所述的超声电机驱动的捷联式三自由度自稳平台驱动控制器，其特征在于：所述的MOSFET管和升压变压器之间设有脉冲吸收电路。