本發(fā)明涉及超聲電機驅動控制領域，具體是一種超聲電機驅動的捷聯(lián)式三自由度自穩(wěn)平臺驅動控制器。

背景技術：

超聲電機是一種新型電機，它利用了壓電材料的逆壓電效應，在壓電材料上施加交流信號產(chǎn)生交變電場，進而激發(fā)出壓電材料在超聲頻段內(nèi)的振動，并將這一振動放大，通過摩擦作用轉換為電機轉子的運動，作為功率輸出并驅動其他負載。與傳統(tǒng)電機相比，超聲電機具有低轉速、大力矩、響應速度快、斷電自鎖、無電磁干擾等優(yōu)點。采用三臺超聲電機驅動的三自由度自穩(wěn)平臺可以實現(xiàn)平臺的高精度快速跟蹤定位，在航空航天領域有著廣泛的應用前景。

超聲電機需要由兩路正交相位的超聲頻段的交流信號來驅動工作。三自由度平臺需要由三個電機驅動轉動，傳統(tǒng)做法采用三個獨立的驅動控制器分別驅動三個電機，然后再使用一個微控制器來實現(xiàn)平臺的傳感器信號采集和定位跟蹤，整體上平臺驅動控制系統(tǒng)體積較大，不易實現(xiàn)調壓、調頻、調相組合的控制方法，控制算法效率較低，且故障率較高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術的問題，提供了一種超聲電機驅動的捷聯(lián)式三自由度自穩(wěn)平臺驅動控制器，通過一個dsp芯片產(chǎn)生六路epwm信號同時控制平臺上三相超聲電機，控制電路結構簡單，成本較低，使用一塊dsp芯片不存在同步性問題且控制精度較高，同時采用捷聯(lián)式結構可以簡化平臺上的機械結構，更有利于驅動電路集成化、小型化。

本發(fā)明包括嵌入式微處理器和功率放大匹配電路，嵌入式微處理器將其內(nèi)部時鐘信號在epwm模塊分別分配至第一epwm模塊、第二epwm模塊、第三epwm模塊、第四epwm模塊、第五epwm模塊和第六epwm模塊；

第一、第二epwm模塊的輸出信號經(jīng)過功率放大匹配電路中進行功率放大和匹配后向待控制的第一超聲電機產(chǎn)生兩路相位差為π/2（90°）的驅動信號；

第三、第四epwm模塊的輸出信號經(jīng)過功率放大匹配電路中進行功率放大和匹配后向待控制的第二超聲電機產(chǎn)生兩路相位差為π/2（90°）的驅動信號；

第五、第六epwm模塊的輸出信號經(jīng)過功率放大匹配電路中進行功率放大和匹配后向待控制的第三超聲電機產(chǎn)生兩路相位差為π/2（90°）的驅動信號。

進一步改進，所述的嵌入式微處理器連接有參數(shù)采集電路，所述的參數(shù)采集電路包括陀螺儀傳感器模塊、第一磁旋轉編碼器模塊、第二磁旋轉編碼器模塊和第三磁旋轉編碼器模塊；

陀螺儀傳感器模塊安裝在自穩(wěn)平臺基座上通過i2c總線與嵌入式微處理器相連接，測量基座運動的角速度；

第一磁旋轉編碼器模塊安裝在第一超聲電機轉軸上，通過spi與嵌入式微處理器相連接，測量第一超聲電機的轉動角度；

第二磁旋轉編碼器模塊安裝在第二超聲電機轉軸上，通過spi與嵌入式微處理器相連接，測量第二超聲電機的轉動角度；

第三磁旋轉編碼器模塊安裝在第三超聲電機轉軸上，通過spi與嵌入式微處理器相連接，測量第三超聲電機的轉動角度；

進一步改進，所述的嵌入式微處理器連接有速度補償處理單元，速度補償處理單元包含補償模塊開關和速度調節(jié)單元，所述的速度調節(jié)單元包括第一速度調節(jié)模塊、第二速度調節(jié)模塊和第三速度調節(jié)模塊；

以上所述的epwm模塊，功率放大匹配單元、超聲電機、三軸穩(wěn)定平臺、參數(shù)采集電路組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)了超聲電機的高性能轉速控制。

待控制的第一超聲電機的轉速由第一速度調節(jié)模塊手動控制，第一速度調節(jié)模塊的輸出信號進入嵌入式微處理器的adc模塊；所述的第一速度調節(jié)模塊通過第一開關實現(xiàn)第一超聲電機是否轉動及轉動轉向的控制。

待控制的第二超聲電機的轉速由第二速度調節(jié)模塊手動控制，第二速度調節(jié)模塊的輸出信號進入嵌入式微處理器的adc模塊；所述的第二速度調節(jié)模塊通過第二開關實現(xiàn)第二超聲電機是否轉動及轉動轉向的控制。

待控制的第三超聲電機的轉速可以由第三速度調節(jié)模塊手動控制，第三速度調節(jié)模塊的輸出信號進入嵌入式微處理器的adc模塊。所述的第三速度調節(jié)模塊通過第三開關實現(xiàn)第三超聲電機是否轉動及轉動轉向的控制。

進一步改進，所述的功率放大匹配電路中，同一待控制的電機上輸入的兩路驅動信號分別經(jīng)過兩個mosfet管進行推挽放大后再經(jīng)過升壓變壓器升壓，在通過一個并聯(lián)電感匹配后施加于待控制的電機。所述的mosfet管和升壓變壓器之間設有脈沖吸收電路。

本發(fā)明中用到的陀螺儀傳感器以及三塊磁旋轉編碼器分別采集穩(wěn)定平臺的基體與各軸電機的運動參數(shù)，這些參數(shù)分別通過i2c模塊和spi模塊傳輸給dsp芯片，運用dsp強大的運算能力對采集到的的運動參數(shù)進行姿態(tài)解算，根據(jù)姿態(tài)解算的結果配合實時控制算法實現(xiàn)對穩(wěn)定平臺電機轉速與轉向的控制，進而實現(xiàn)平臺的精確閉環(huán)控制，完成平臺的機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的配合。

驅動核心采用了運算功能強大的dsp芯片（型號為tms320f28069），dsp芯片內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結構，具有專門的乘法器，可以用來快速實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)處理算法。

本發(fā)明有益效果在于：本發(fā)明將超聲電機這一上個世紀80年代發(fā)展起來的新型作動器運用到三軸穩(wěn)定平臺上，結合穩(wěn)定平臺的需要發(fā)揮出超聲電機斷電自鎖、高速響應、高精度定位控制的優(yōu)點。通過一個dsp芯片產(chǎn)生六路epwm信號同時控制平臺上三相超聲電機，控制電路結構簡單，成本較低，使用一塊dsp芯片不存在同步性問題且控制精度較高，同時采用捷聯(lián)式結構可以簡化平臺上的機械結構，更有利于驅動電路集成化、小型化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的控制器總體原理框圖。

圖2為本發(fā)明驅動控制器結構圖。

圖3為本發(fā)明控制流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式，對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，本例所實施的超聲電機驅動三自由度穩(wěn)定平臺的驅動控制器主要包含一個控制核心dsp芯片，兩個參數(shù)采集模塊：角速度傳感器與角度傳感器，以及一個功率放大匹配模塊。

如圖2所示，所述的微處理器dsp將其內(nèi)部時鐘信號在epwm模塊分別分配至第一epwm模塊、第二epwm模塊、第三epwm模塊、第四epwm模塊、第五epwm模塊、第六epwm模塊；

第一、第二epwm模塊的輸出信號經(jīng)過功放/匹配電路后經(jīng)過功率放大和匹配后向待控制的第一超聲電機產(chǎn)生兩路相位差為π/2的驅動信號；

第三、第四epwm模塊的輸出信號經(jīng)過功放/匹配電路后經(jīng)過功率放大和匹配后向待控制的第二超聲電機產(chǎn)生兩路相位差為π/2的驅動信號；

第五、第六epwm模塊的輸出信號經(jīng)過功放/匹配電路后經(jīng)過功率放大和匹配后向待控制的第三超聲電機產(chǎn)生兩路相位差為π/2的驅動信號。

穩(wěn)定平臺的基座運動參數(shù)由陀螺儀傳感器采集，并通過i2c接口輸入到微處理器芯片。

待控制的第一超聲電機所安裝框架的運動參數(shù)由第一磁旋轉編碼器采集，并通過spi接口輸入微處理器芯片，在芯片內(nèi)部結合基座運動參數(shù)以及第一電機所安裝框架的轉動角度通過捷聯(lián)算法得到該框架的轉動速度。

待控制的第二超聲電機所安裝框架的運動參數(shù)由第二磁旋轉編碼器采集，并通過spi接口輸入微處理器芯片，在芯片內(nèi)部結合基座運動參數(shù)以及第一和第二電機所安裝框架的轉動角度通過捷聯(lián)算法得到該框架的轉動速度。

待控制的第三超聲電機所安裝框架的運動參數(shù)由第三磁旋轉編碼器采集，并通過spi接口輸入微處理器芯片，在芯片內(nèi)部結合基座運動參數(shù)以及第一、第二和第三電機所安裝框架的轉動角度通過捷聯(lián)算法得到該框架的轉動速度。

將第一超聲電機安裝框架的角速度與穩(wěn)定平臺達到穩(wěn)定所需的參數(shù)進行比較，在微處理器內(nèi)部經(jīng)過一定的控制算法處理后得到經(jīng)過調節(jié)后的第一超聲電機所需的驅動信號頻率，并根據(jù)這一頻率調節(jié)第一、第二epwm信號的輸出頻率。

將第二超聲電機安裝框架的角速度與穩(wěn)定平臺達到穩(wěn)定所需的參數(shù)進行比較，在微處理器內(nèi)部經(jīng)過一定的控制算法處理后得到經(jīng)過調節(jié)后的第二超聲電機所需的驅動信號頻率，并根據(jù)這一頻率調節(jié)第三、第四epwm信號的輸出頻率。

將第三超聲電機安裝框架的角速度與穩(wěn)定平臺達到穩(wěn)定所需的參數(shù)進行比較，在微處理器內(nèi)部經(jīng)過一定的控制算法處理后得到經(jīng)過調節(jié)后的第三超聲電機所需的驅動信號頻率，并根據(jù)這一頻率調節(jié)第五、第六epwm信號的輸出頻率。

為了增強穩(wěn)定平臺的可調節(jié)性還添加了手動調節(jié)模塊，待控制的第一超聲電機的轉速由第一速度調節(jié)模塊控制，第一速度調節(jié)模塊的調節(jié)信號由嵌入式微處理器的adc采集。

待控制的第二超聲電機的轉速由第二速度調節(jié)模塊控制，第二速度調節(jié)模塊的調節(jié)信號由嵌入式微處理器的adc采集。

待控制的第三超聲電機的轉速由第三速度調節(jié)模塊控制，第三速度調節(jié)模塊的調節(jié)信號由嵌入式微處理器的adc采集。

所述的第一速度調節(jié)模塊通過第一開關進行正反轉向切換；所述的第二速度調節(jié)模塊通過第二開關進行正反轉向切換；所述的第三速度調節(jié)模塊通過第三開關進行正反轉向切換。

由其中的第一超聲電機的驅動控制為例對本發(fā)明的技術方案進行進一步的具體說明，控制流程如圖3所示。采用dsp處理器，芯片的內(nèi)部時鐘進入帶死區(qū)的epwm1和epwm2模塊，epwm1和epwm2模塊初始化時設置好分頻比、占空比和死區(qū)大小。并且設置epwm1的初始相位為0，epwm2的初始相位為π/2，且兩個模塊的時鐘信號同步。由陀螺儀傳感器和磁旋轉編碼器采集穩(wěn)定平臺的運動參數(shù)，經(jīng)過運算處理后與目標轉動角速度進行對比，將產(chǎn)生的誤差值經(jīng)過pid控制器運算后作用在pwm信號的頻率上，重新調節(jié)epwm模塊的計數(shù)器參考值以改變信號頻率，進而改變超聲電機的運動狀態(tài)，實現(xiàn)對目標狀態(tài)的高精度跟蹤。

本發(fā)明具體應用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發(fā)明的保護范圍。