本发明涉及超声电机驱动控制领域，尤其涉及一种基于音频功放的超声电机驱动控制器，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控制方法。
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。因此，超声电机在航空航天、仿生机械、医疗器械等领域得到广泛应用。
超声电机的响应速度与响应精度也相比电磁电机有很大的提高，由于特殊的驱动机理使得超声电机的响应时间相较于电磁电机而言有很大提高，响应速度可以提高到0.01s以内，并且由于摩擦力的存在，超声电机的位置精度也相较于电磁电机得到很大的提高。
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。现阶段主流的超声电机驱动方案是pwm逆变式驱动方案。该方案通过分频分相电路和功放电路产生正交的高压方波信号，并通过匹配电路滤波产生两路正交的正弦信号。pwm逆变式驱动方案有谐波分量大、难以调压等问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于音频功放的超声电机驱动控制器。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于音频功放的超声电机驱动控制器，包含正反转开关、速度调节开关、电流反馈电路、电压反馈电路、编码器、晶振、嵌入式微处理器、正弦信号发生器、功放匹配电路和电源模块，所述嵌入式微处理器分别和所述正反转开关、速度调节开关、电流反馈电路、电压反馈电路、编码器、晶振、正弦信号发生器的输入侧电气相连，所述正弦信号发生器的输出侧通过所述功放匹配电路和待驱动的超声电机相连；所述晶振用于提供时钟信号给所述嵌入式微处理器；
所述嵌入式微处理器包含第一epwm模块、第二epwm模块、第三epwm模块、运算单元、gpio单元、adc单元和eqep单元；
所述第一epwm模块用于根据晶振提供的时钟信号和接收到的第一频率产生正弦信号发生器时钟信号并将其传递给所述正弦信号发生器；
所述第二epwm模块用于根据晶振提供的时钟信号和接收到的第二频率产生第一pwm波信号并将其传递给所述正弦信号发生器，所述第一pwm波信号频率与正弦信号发生器时钟信号的频率比为1:50；
所述第三epwm模块用于根据晶振提供的时钟信号和接收到的第三频率产生第二pwm波信号并将其传递给所述正弦信号发生器，所述第二pwm波信号频率与正弦信号发生器时钟信号的频率比为1:50，且第二pwm波信号与第一pwm波信号相位差为90°；
所述正反转开关用于将正转或反转或停转的模拟信号输入至所述嵌入式微处理器；
所述电流反馈电路用于测量超声电机工作电流的模拟信号，并将其传递给所述嵌入式微处理器；
所述电压反馈电路用于测量超声电机的工作电压的模拟信号，并将其传递给所述嵌入式微处理器；
所述编码器用于测量超声电机转子转动角度或动子位移，产生相应的脉冲信号，并将其传递给所述嵌入式微处理器；
所述速度调节开关用于将速度调节模拟信号输入至所述嵌入式微处理器；
所述gpio单元用于将所述正反转开关输入的模拟信号转换为数字信号后传递给所述运算单元；
所述adc单元用于将所述电流反馈电路、电压反馈电路输入的模拟信号转换为数字信号后传递给所述运算单元；
所述eqep单元用于将所述编码器输入的脉冲信号转换为数字信号后传递给所述运算单元；
所述运算单元用于根据所述正反转开关、速度调节开关、电流反馈电路、电压反馈电路、编码器经转换后的数字信号计算出第一频率、第二频率、第三频率，并分别将第一频率、第二频率、第三频率传输至第一epwm模块、第二epwm模块、第三epwm模块；所述运算单元在没有接收到正反转开关、速度调节开关、电流反馈电路、电压反馈电路、编码器经转换后的数字信号时，将预先设定的第一频率阈值、第二频率阈值、第三频率阈值作为第一频率、第二频率、第三频率分别传输至第一epwm模块、第二epwm模块、第三epwm模块；
所述正弦信号发生器用于根据接收到的正弦信号发生器时钟信号、第一pwm波信号和第二pwm波信号产生第一正弦波信号和第二正弦波信号，并将其传递给所述功放匹配电路，所述第一正弦波信号与第二正弦波信号相位差为90°；
所述功放匹配电路用于根据接收到的第一正弦波信号、第二正弦波信号产生第一驱动信号、第二驱动信号，所述第一驱动信号、第二驱动信号相位差为90°，用于驱动待控制的超声电机。
作为本发明一种基于音频功放的超声电机驱动控制器进一步的优化方案，所述正弦信号发生器包含直流电源、第一有源滤波器、第二有源滤波器、第一至第二电阻、以及第一至第三电容；
所述第一有源滤波器、第二有源滤波器的型号均为max295；
所述直流电源为5v电源，其正极分别和第一电容的一端、第二电容的一端、第一电阻的一端、第一有源滤波器的v+引脚、第二有源滤波器的v+引脚相连，负极分别和第一电容的另一端、第二电容的另一端、第二电阻的一端、第三电容的一端、第一有源滤波器的v-引脚、第二有源滤波器的v-引脚相连后接地；
所述第一电阻的另一端分别和第二电阻的另一端、第三电容的另一端、第一有源滤波器的gnd引脚、第二有源滤波器的gnd引脚相连；
所述第一有源滤波器的clk引脚、第二有源滤波器的clk引脚均和所述第一epwm模块相连；
所述第一有源滤波器的in引脚、第二有源滤波器的in引脚分别和所述第二epwm模块、第三epwm模块对应相连；
所述第一有源滤波器的opin引脚和其opout引脚相连，第二有源滤波器的opin引脚和其opout引脚相连；
所述第一有源滤波器的out引脚、第二有源滤波器的out引脚均和所述功放匹配电路相连。
作为本发明一种基于音频功放的超声电机驱动控制器进一步的优化方案，所述功放匹配电路包含classd音频功放芯片、第一至第二升压变压器、以及第一至第二并联电感；
所述classd音频功放芯片分别和正弦信号发生器、第一升压变压器的输入端、第二升压变压器的输入端相连；所述第一、第二升压变压器的输入端分别和第一、第二并联电感的一端相连，所述第一、第二并联电感的另一端分别和待控制的超声电机的两个驱动端相连；
所述classd音频功放芯片用于根据接收到的第一正弦波信号产生spwm波信号sina和sinb后输入至第一升压变压器，根据接收到的第二正弦波信号产生spwm波信号cosa和cosb后输入至第二升压变压器，其中，sina信号和sinb信号为一组差分信号，cosa信号和cosb信号为一组差分信号；
所述sina信号、sinb信号经过第一升压变压器升压后通过第一并联电感匹配产生第一驱动信号；
所述cosa信号、cosb信号经过第二升压变压器升压后通过第二并联电感匹配产生第二驱动信号；
所述的第一驱动信号与第二驱动信号相位差为90°，用于驱动待控制的超声电机。
作为本发明一种基于音频功放的超声电机驱动控制器进一步的优化方案，所述classd音频功放芯片和第一、第二升压变压器之间均设有脉冲吸收电路。
作为本发明一种基于音频功放的超声电机驱动控制器进一步的优化方案，所述嵌入式微处理器的型号为tms320f28335。
作为本发明一种基于音频功放的超声电机驱动控制器进一步的优化方案，所述正反转开关采用单刀三掷开关。
作为本发明一种基于音频功放的超声电机驱动控制器进一步的优化方案，所述嵌入式微处理器还包含sci单元，所述sci单元用于将所述电流反馈电路、电压反馈电路、编码器经转换后的数字信号传递给上位机。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明将classd音频功放运用到超声电机驱动器的功放电路中，结合超声电机驱动的需要发挥出classd音频功放效率高、发热量小、谐波分量小的优点；控制电路结构简单，成本较低，更有利于驱动电路的集成化、小型化。
驱动核心采用了运算功能强大的dsp芯片，型号为tms320f28335，可以根据稳定平台的工作状态与工作需求通过dsp芯片的内部模块对电机的驱动信号进行实时频率相位以及幅值调节，实现对超声电机的高性能、高稳定性的控制目标。
驱动控制器可以与上位机进行实时通信，实现远程控制指令的接受和电机运行状态的实时监控。
附图说明
图1是超声电机驱动控制器原理框图；
图2是正弦信号发生器电路实现原理图；
图3是驱动控制器电路波形变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，本发明公开了一种基于音频功放的超声电机驱动控制器，包含晶振、嵌入式微处理器、正弦信号发生器、功放匹配电路、正反转开关、速度调节开关、电流反馈电路、电压反馈电路、编码器和电源模块，嵌入式微处理器分别和正反转开关、速度调节开关、电流反馈电路、电压反馈电路、编码器、晶振、正弦信号发生器的输入侧电气相连，正弦信号发生器的输出侧通过功放匹配电路和待驱动的超声电机相连；
晶振用于提供时钟信号给嵌入式微处理器；
嵌入式微处理器包含第一epwm模块、第二epwm模块、第三epwm模块、运算单元、gpio单元、adc单元和eqep单元；
第一epwm模块用于根据晶振提供的时钟信号和接收到的第一频率产生正弦信号发生器时钟信号并将其传递给正弦信号发生器；
第二epwm模块用于根据晶振提供的时钟信号和接收到的第二频率产生第一pwm波信号并将其传递给正弦信号发生器，第一pwm波信号频率与正弦信号发生器时钟信号的频率比为1:50；
第三epwm模块用于根据晶振提供的时钟信号和接收到的第三频率产生第二pwm波信号并将其传递给正弦信号发生器，第二pwm波信号频率与正弦信号发生器时钟信号的频率比为1:50，且第二pwm波信号与第一pwm波信号相位差为90°；
正反转开关用于将正转或反转或停转的模拟信号输入至嵌入式微处理器；
电流反馈电路用于测量超声电机工作电流的模拟信号，并将其传递给嵌入式微处理器；
电压反馈电路用于测量超声电机的工作电压的模拟信号，并将其传递给嵌入式微处理器；
编码器用于测量超声电机转子转动角度或动子位移，产生相应的脉冲信号，并将其传递给嵌入式微处理器；
速度调节开关用于将速度调节模拟信号输入至嵌入式微处理器；
gpio单元用于将正反转开关输入的模拟信号转换为数字信号后传递给运算单元；
adc单元用于将电流反馈电路、电压反馈电路输入的模拟信号转换为数字信号后传递给运算单元；
eqep单元用于将编码器输入的脉冲信号转换为数字信号后传递给运算单元；
运算单元用于根据正反转开关、速度调节开关、电流反馈电路、电压反馈电路、编码器经转换后的数字信号计算出第一频率、第二频率、第三频率，并分别将第一频率、第二频率、第三频率传输至第一epwm模块、第二epwm模块、第三epwm模块；运算单元在没有接收到正反转开关、速度调节开关、电流反馈电路、电压反馈电路、编码器经转换后的数字信号时，将预先设定的第一频率阈值、第二频率阈值、第三频率阈值作为第一频率、第二频率、第三频率分别传输至第一epwm模块、第二epwm模块、第三epwm模块；
正弦信号发生器用于根据接收到的正弦信号发生器时钟信号、第一pwm波信号和第二pwm波信号产生第一正弦波信号和第二正弦波信号，并将其传递给功放匹配电路，第一正弦波信号与第二正弦波信号相位差为90°；
功放匹配电路用于根据接收到的第一正弦波信号、第二正弦波信号产生第一驱动信号、第二驱动信号，第一驱动信号、第二驱动信号相位差为90°，用于驱动待控制的超声电机。
功放匹配电路包含classd音频功放芯片、第一至第二升压变压器、以及第一至第二并联电感；
classd音频功放芯片分别和正弦信号发生器、第一升压变压器的输入端、第二升压变压器的输入端相连；第一、第二升压变压器的输入端分别和第一、第二并联电感的一端相连，第一、第二并联电感的另一端分别和待控制的超声电机的两个驱动端相连；
classd音频功放芯片用于根据接收到的第一正弦波信号产生spwm波信号sina和sinb后输入至第一升压变压器，根据接收到的第二正弦波信号产生spwm波信号cosa和cosb后输入至第二升压变压器，其中，sina信号和sinb信号为一组差分信号，cosa信号和cosb信号为一组差分信号；
sina信号、sinb信号经过第一升压变压器升压后通过第一并联电感匹配产生第一驱动信号；
cosa信号、cosb信号经过第二升压变压器升压后通过第二并联电感匹配产生第二驱动信号；
第一驱动信号与第二驱动信号相位差为90°，用于驱动待控制的超声电机。
classd音频功放芯片和第一、第二升压变压器之间均设有脉冲吸收电路。
嵌入式微处理器的型号优先采用tms320f28335。
正反转开关采用单刀三掷开关。
嵌入式微处理器还能够进一步包含sci单元，sci单元用于将电流反馈电路、电压反馈电路、编码器经转换后的数字信号传递给上位机。
如图2所示，正弦信号发生器包含直流电源、第一有源滤波器、第二有源滤波器、第一至第二电阻、以及第一至第三电容。第一有源滤波器、第二有源滤波器的型号均为max295。
直流电源为5v电源，其正极分别和第一电容的一端、第二电容的一端、第一电阻的一端、第一有源滤波器的v+引脚、第二有源滤波器的v+引脚相连，负极分别和第一电容的另一端、第二电容的另一端、第二电阻的一端、第三电容的一端、第一有源滤波器的v-引脚、第二有源滤波器的v-引脚相连后接地。
第一电阻的另一端分别和第二电阻的另一端、第三电容的另一端、第一有源滤波器的gnd引脚、第二有源滤波器的gnd引脚相连；第一有源滤波器的clk引脚、第二有源滤波器的clk引脚均和第一epwm模块相连；第一有源滤波器的in引脚、第二有源滤波器的in引脚分别和第二epwm模块、第三epwm模块对应相连；第一有源滤波器的opin引脚和其opout引脚相连，第二有源滤波器的opin引脚和其opout引脚相连；第一有源滤波器的out引脚、第二有源滤波器的out引脚均和功放匹配电路相连。直流电源与分压电阻r1和r2为双电源的有源滤波器供电；电容c1和c2为旁路电容和去耦电容；滑动变阻器r3和电阻r4用于调节正弦信号的幅值；有源滤波器接收嵌入式微处理器的第一epwm模块、第二epwm模块和第三epwm模块输出的信号，产生两路相位相差90°的正弦波。
如图3所示，外部晶振单元的时钟信号输入嵌入式微处理器，嵌入式微处理器的epwm模块输出一路正弦信号发生器时钟信号和两路相位相差90°幅值为3.3v的pwm波，经过有源滤波器滤波产生两路相位相差90°峰峰值为3.3v的正弦波，再经过基于音频功放的功放电路产生两组组差分spwm波，最后经过放大\匹配电路产生两路相位相差90°峰峰值为300v~400v的正弦波形来驱动超声电机。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。