CN203775078U - 基于arm和dds的超声波电机速度位置控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于ARM和DDS的超声波电机速度位置控制器，安装在超声波电机上，包括ARM9S3C2410及触摸屏控制平台、稳压变压电路、正弦信号发生电路、电压控制电路、功率电压放大电路、反馈回路，ARM9S3C2410的通用I／O口分别接正弦信号发生电路和电压控制电路，正弦信号发生电路和电压控制电路的输出端都接到功率电压放大电路的输入端，功率电压放大电路的输出端接超声波电机，反馈回路包括单圈绝对式光电编码器，反馈回路输出端接ARM9S3C2410的通用I／O口。本实用新型电路简洁、调试方便，信号稳定、低功耗，能保证电机控制复杂算法的实现。

Description

基于ARM和DDS的超声波电机速度位置控制器

技术领域

本实用新型涉及超声波电机领域，尤其涉及一种ARM和DDS的超声波电机速度位置控制器。

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，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，目前还没有一个传递函数可同时表示超声波电机动静态性能的精确的数学模型，因而传统的控制策略并不适用于超声波电机的控制；超声波电机驱动控制电路设计分为信号发生模块和信号放大模块，信号发生模块其实现方法有：采用锁相环电路(PLL)进行设计、直接数字频率(DDS)合成技术、基于CPLD／FPGA专用数字集成电路，信号放大模块其实现方法有：推挽功率放大电路、采用压电放大器替代电磁放大器、采用LLCC谐振技术、采用专用的集成放大芯片如PA85等等，而目前超声波电机驱动控制器大都采用分离模拟元件，电路复杂，需要专用芯片和***电路组成波形发生模块，这样导致整个驱动控制***存在结构复杂、稳定性差、不易于携带、功耗较大、无法实现复杂算法控制等缺点。

发明内容

针对现有的超声波电机驱动控制器存在的结构复杂、稳定性差、不易于携带、功耗较大、无法实现复杂算法控制等缺点，本实用新型提供了一种电路简洁、调试方便、信号稳定、低功耗，同时也能保证电机控制复杂算法实现的基于ARM和DDS的超声波电机速度位置控制器。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：基于ARM和DDS的超声波电机速度位置控制器，安装在超声波电机上，所述的超声波电机速度位置控制器单相电路中包括ARM9S3C2410及触摸屏控制平台、稳压变压电路、正弦信号发生电路、电压控制电路、功率电压放大电路、反馈回路，所述的ARM9S3C2410的通用I／O口分别接正弦信号发生电路和电压控制电路，所述的正弦信号发生电路和电压控制电路的输出端都接到功率电压放大电路的输入端，所述的功率电压放大电路的输出端接超声波电机，所述的反馈回路包括设置在超声波电机上与超声波电机同轴的单圈绝对式光电编码器，所述的单圈绝对式光电编码器输出端接ARM9S3C2410的通用I／O口，所述的稳压变压电路的输入信号是+12V的直流信号，输出稳定的+12V、+5V和3.3V信号。本方案采用一种全新的DDS技术，以ARM S3C2410为主控制器、DDS芯片AD9854为子控制器，配合推挽功率放大电路，设计了一个嵌入式速度与位置控制器，其中，三星公司的基于ARM9TDMI核的S3C2410X系列ARM S3C2410微控制器主频高达200MHz，具有1.1MIBPS的指令执行速度，为复杂算法的加载提供了硬件基础，ARM S3C2410有117个通用输入输出口，本方案正是利用其中的30位GPIO与***部件并行传输数据，ARM S3C2410内部还有5个PWM定时器，可以用来对外部脉冲定时计数；超声波电机接光电编码器后，编码器输出信号经整形接到ARM的外部时钟输入引脚，通过定时计数可以计算出电机的速度与位置信息，片内ROM可以存储电机所停止的位置，便于下一次电机的定位，ARMS3C2410内部的LCD控制器可支持触摸屏输入和LCD显示，内核ARM9TDMI的工作电压仅为3.3V，有效地降低了***功耗，ARM S3C2410通过正弦信号发生电路实现对驱动信号的频率、幅值、相位差的控制，从而实现对超声波电机的速度与位置控制。

优选的，所述的稳压变压电路包括三个滤波电感、三个排针插座、一个低压差电压调节器、两个LED灯、若干电阻电容。

优选的，所述的正弦信号发生电路包括74HC573八位数据锁存器、74HC14六反相施密特触发器、AD9854正弦信号发生芯片、MC100LVE16差分接收器。

优选的，所述的电压控制电路包括AD9854正弦信号发生芯片、AD8320可编程增益功率放大器。

优选的，所述的功率放大电路包括N沟道增强型场效应管、PNP三极管、耦合升压变压器、肖特基二极管D1、D2、若干电阻电容。

优选的，所述的反馈电路包括4096线的光电编码器、ARM定时器。

优选的，所述的超声波电机速度位置控制器的操作***为嵌入式linux操作***。

采用上述技术方案后，本实用新型具有如下优点：1)、电路简洁、调试方便；2)、信号稳定、低功耗；3)保证电机控制复杂算法的实现。

附图说明

图1是本实用新型的一种结构原理示意图。

图2是本实用新型的稳压变压电路示意图。

图3是本实用新型的正弦信号发生电路示意图。

图4是本实用新型的电压控制电路示意图。

图5是本实用新型的功率放大电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图1至5对本实用新型做进一步的描述，基于ARM和DDS的超声波电机速度位置控制器，安装在超声波电机上，超声波电机速度位置控制器单相电路中包括ARM9S3C2410及触摸屏控制平台、稳压变压电路、正弦信号发生电路、电压控制电路、功率电压放大电路、反馈回路，ARM9S3C2410的通用I／O口分别接正弦信号发生电路和电压控制电路，正弦信号发生电路和电压控制电路的输出端都接到功率电压放大电路的输入端，功率电压放大电路的输出端接超声波电机，反馈回路包括设置在超声波电机上与超声波电机同轴的单圈绝对式光电编码器，反馈回路输出端接ARM9S3C2410的通用I／O口，稳压变压电路的输入信号是+12V的直流信号，输出稳定的+12V、+5V和3.3V信号，其中：

稳压变压电路主要由滤波电感I1～I3，排针插座JP9～JP11和LM1117低压差电压调节器U14及一系列电阻电容和LED灯D10、D11组成，+12V直流电源经过JP10引入，通过滤波电容C50～C53、极性电容C93输出稳定的+12V信号，+12V信号经滑动变阻器R33、LED灯D11输出+5V信号，+5V信号通过滤波电容C46～C49，极性电容C89～C92，LM1117低压差电压调节器U14和电感L1、L2、L3得到+3.3V的直流电，+12V直流电源在***单相电路中为变压器T1，AD8320可编程增益功率放大器U13，N沟道增强型场效应管Q1、Q2和PNP三极管Q3～Q6供电，+5V为光电编码器供电，+3.3V为74HC573八位数据锁存器U6～U9，74HC14六反相施密特触发器U10，AD9854正弦信号发生芯片U11和MC100LVE16差分接收器U12供电；

正弦信号发生电路由74HC573八位数据锁存器U6～U9，74HC14六反相施密特触发器U10，AD9854正弦信号发生芯片U11和MC100LVE16差分接收器U12组成，在本实用新型单相电路中ARM9S3C2410的GPA0～GPA7口通过74HC573八位数据锁存器U6、U7连接到AD9854的D7～D0，作为数据输入口，GPA8～GPA10通过74HC14六反相施密特触发器U10控制74H573八位数据锁存器U7～U9的使能引脚，在74H573八位数据锁存器U7～U9使能引脚的控制下，ARM9S3C2410微控制器分别向AD9854正弦信号发生芯片U11发送频率、相位和幅值控制字，AD9854正弦信号发生芯片U11的ADDR0～ADDR5在使能引脚的控制下，接收ARM9S3C2410微控制器的地址信号输入，74H573八位数据锁存器U9的输出分别连接AD9854正弦信号发生芯片U11的20、21、22、29、30、70、71号引脚，在使能引脚的作用下接收控制信号输入；

电压控制电路由AD9854正弦信号发生芯片U11和AD8320可编程增益功率放大器U13组成，AD9854正弦信号发生芯片U11通过幅值控制字对自身产生的正弦信号电压幅值进行预调节，ARM9S3C2410微控制器采用串行方式控制AD8320可编程增益功率放大器U13，根据实际情况可采用0～256级可编程增益，AD8320可编程增益功率放大器U13具有电源关闭端口，在不使用时刻关闭信号输出，减少***的功耗。其作用是将AD9854正弦信号发生芯片U11输出0～1V的电压放大到0～5V。这样，开关电路就可根据功放电路输入正弦信号的幅值调整其电源电压，使驱动电路达到最佳效果；

功率放大电路由N沟道增强型场效应管Q1、Q2，PNP三极管Q3～Q6，耦合升压变压器T1，肖特基二极管D1、D2和一系列电阻电容组成，正弦信号接入Q3～Q6组成的输入端，输出端接Q1、Q2的栅极，Q1、Q2源极和漏极与耦合升压变压器的输入端相连；

反馈电路采用4096线的光电编码器M2，和ARM定时器2组成，将定时器3的输出引脚设置为外部脉冲输入引脚，光电编码器的输出信号经74LS14整形后连接到外部脉冲输入引脚，通过定时器1对外部脉冲的定时计数可以计算出电机的速度与位置；

超声波电机速度位置控制器的操作***为嵌入式linux操作***。

具体实施过程是：超声波电机速度位置控制器***上电运行后LCD显示欢迎界面，等待“欢迎进入”的触摸，然后进入主控界面，主控界面最初所有输出值显示为0，通过触摸屏输入频率、幅值、相位差信号，在所有输入文本框全部输入完毕后，然后按下启动触摸键启动电机，这时主控界面可以动态地显示电机的运行状况，也可进入实时曲线界面查看动态曲线，当按下停机按键后电机停止工作，触摸屏和LCD的各项功能都是通过QT里的函数完成的，***主程序工作在嵌入式linux操作***下，负责各个子任务之间的调度，任务之间的调度是通过嵌入式linux的fork()、execve()、exit()、wait()等实现的，算法任务模块分为速度控制和定位控制两种情况，速度控制采用传统PID算法反馈控制，定位控制采用的是模糊PID控制策略；

超声波电机M1的驱动电压要求为两相正弦波，JP3、JP4、JP8接线端子分别接收来自ARM9S3C2410的控制信号，在超声波电机速度位置控制器***的单相电路中ARM9S3C2410的GPA0～GPA7口通过74HC573八位数据锁存器U6、U7连接到AD9854的D7～D0，作为数据输入口，GPA8～GPA10通过74HC14六反相施密特触发器U10控制74H573八位数据锁存器U7～U9的使能引脚，在74H573八位数据锁存器U7～U9使能引脚的控制下，ARM9S3C2410微控制器分别向AD9854正弦信号发生芯片U11发送频率、相位和幅值控制字；AD9854正弦信号发生芯片U11的ADDR0～ADDR5在使能引脚的控制下，接收ARM9S3C2410微控制器的地址信号输入；74H573八位数据锁存器U9的输出分别连接AD9854正弦信号发生芯片U11的20、21、22、29、30、70、71号引脚，在使能引脚的作用下接收控制信号输入；控制过程为：71引脚设置高电平，芯片主复位后，设置70号引脚为低电平，选择并行编程模式，接着通过21号引脚设置，打开并行数据缓冲器，输入控制信号之后，***按照AD9854的写时序关系，写数据进入片内缓存器，当数据更新管脚(pin20)出现正脉冲后(芯片工作在外部数据更新模式)，数据由缓冲寄存器装载至DDS核内，这时，DDS才以更新后的参数输出信号，GPA11～GPA15连接AD8320可编程增益功率放大器U13，通过输入电压调节数据，实现对DDS输出信号的调压功能，该信号经过功率电压放大电路输出驱动电机运转，编码器通过计算限定时间内的脉冲个数得出速度和位置信息，并反馈给ARMS3C2410控制器，通过触摸屏输入参数控制电机运行状态。

Claims (7)

1.一种基于ARM和DDS的超声波电机速度位置控制器，安装在超声波电机上，其特征在于，所述的超声波电机速度位置控制器单相电路中包括ARM9S3C2410及触摸屏控制平台、稳压变压电路、正弦信号发生电路、电压控制电路、功率电压放大电路、反馈回路，所述的ARM9S3C2410的通用I／O口分别接正弦信号发生电路和电压控制电路，所述的正弦信号发生电路和电压控制电路的输出端都接到功率电压放大电路的输入端，所述的功率电压放大电路的输出端接超声波电机，所述的反馈回路包括设置在超声波电机上与超声波电机同轴的单圈绝对式光电编码器，所述的单圈绝对式光电编码器输出端接ARM9S3C2410的通用I／O口，所述的稳压变压电路的输入信号是+12V的直流信号，输出稳定的+12V、+5V和3.3V信号。

2.根据权利要求1所述的基于ARM和DDS的超声波电机速度位置控制器，其特征在于，所述的稳压变压电路包括三个滤波电感、三个排针插座、一个低压差电压调节器、两个LED灯、若干电阻电容。

3.根据权利要求1所述的基于ARM和DDS的超声波电机速度位置控制器，其特征在于，所述的正弦信号发生电路包括74HC573八位数据锁存器、74HC14六反相施密特触发器、AD9854正弦信号发生芯片、MC100LVE16差分接收器。

4.根据权利要求1所述的基于ARM和DDS的超声波电机速度位置控制器，其特征在于，所述的电压控制电路包括AD9854正弦信号发生芯片、AD8320可编程增益功率放大器。

5.根据权利要求1所述的基于ARM和DDS的超声波电机速度位置控制器，其特征在于，所述的功率放大电路包括N沟道增强型场效应管、PNP三极管、耦合升压变压器、肖特基二极管D1、D2、若干电阻电容。

6.根据权利要求1所述的基于ARM和DDS的超声波电机速度位置控制器，其特征在于，所述的反馈电路包括4096线的光电编码器、ARM定时器。

7.根据权利要求1所述的基于ARM和DDS的超声波电机速度位置控制器，其特征在于，所述的超声波电机速度位置控制器的操作***为嵌入式linux操作***。