專利名稱：一種基于h橋驅動器的電機控制器的制作方法
技術領域：
本發明屬于半導體集成電路技術領域，涉及一種由集成電路構成的基于H橋驅動 器的電機控制器。
背景技術：
H橋驅動電路廣泛應用于步進電機、交流電機及直流電機等的驅動。永磁步進電機 或混合式步進電機的勵磁繞組都必須用雙極性電源供電，這樣的繞組電源需用H橋驅動。 而H橋驅動器需要有數字信號進行控制，主要通過脈寬調制信號控制電機轉速，在控制的 過程中必須提供H橋所需的正負脈沖數字信號與死區控制。當前普遍采用單片機或單片機加數字芯片進行數據輸出控制，單片機在控制的過 程中，直接操作I/O 口輸出數據，并需要進行大量的運算和適時控制，消耗大量的計算時間 和硬件資源，而且很難保證死區時間以及均勻調節電機速度的功能；而普通的數字芯片在 實現脈寬調制信號輸出時，需要占用大量的地址線，而且數據接口并不靈活，不能靈活、智 能與外設控制器的數據寬度相適應，而且在每個控制周期都必須進行反復的讀寫操作，消 耗控制和計算時間。公開號為CN101154912的專利“H橋控制系統及其控制方法”采用H橋驅 動器及保護電路、檢測單元、H橋驅動電路、遙控器通信模組與MCU組成，整個控制系統結構 相當復雜，且由分立器件組成，成本較高，且需要相關的軟件開發；公開號為CN201134785 的專利“PWM電機控制器”中的電機控制電路由DSP、多路收發器和高速異步通信電路組成， 針對不同的周期和不同的占空比的控制信號需要進行較多的計算；公開號為CN200953541 的專利“H橋控制系統”由主控制器MCU和相關的監測電路組成，在控制輸出時需要大量的 軟件編制工作，且相關監測電路較為復雜。當前還沒有專門針對H橋驅動器的集成電路解 決方案。因此本發明提出一種H橋驅動器的可編程電機控制電路解決上述硬件復雜、數據 處理不靈活以及控制信號計算復雜等問題。

發明內容
本發明的目的就是為了解決現有的H橋驅動電路硬件復雜、數據處理不靈活以及 控制信號計算復雜等問題，提供一種由集成電路構成的基于H橋驅動器的電機控制器。為了實現上述目的，本發明采用的電路由邊沿檢測單元、片選譯碼單元、控制邏輯 單元、智能數據接口內外數據轉換單元、讀寫邏輯單元以及3個可編程電機控制電路通道 組成。可編程的信號邊沿檢測單元電路由可編程數據接口電路和信號檢測電路組成，通 過對寫入的數據進行分析得到需要檢測的信號類型，當檢測到符合編程要求的信號后給出 檢測標志，通過檢測標志可以提供給對應通道的電機控制電路，就可以實現對PWM信號輸 出的開關控制；片選譯碼單元負責對地址線進行譯碼，以產生合適的寄存器選擇信號供各模塊在 處理數據讀取時使用；
智能數據接口內外數據轉換單元通過外設的一個數據端口選擇引腳采樣設置值， 通過內部的讀寫邏輯對外部數據進行搬運，實行內部數據(16位)與外部數據(8位或16 位傳輸)的無縫連接；控制邏輯單元實現對外圍引腳的采樣并提供對各個模塊的不同操作，比如讀寫等 控制；讀寫邏輯單元實現內部數據的讀寫操作，通過從控制信號線得到控制信號完成對 數據的讀或寫操作，以供其它模塊使用。進一步來說，用于H橋驅動器的電機控制通道電路(總共3路)每一路結構完全相 同，都由數據處理與數據接口電路、脈寬周期信號發生器、可編程分頻電路、脈沖寬度調制 狀態機電路組成，具有可編程時鐘分頻與正負脈沖輸出脈寬，周期長度和死區時間可編程 等特點。通過對寫入接口電路的數據進行分析和計算，得到電機控制脈寬的周期、死區、正 負脈沖的長度等信息，并結合可編程分頻電路給出的分頻因子產生脈沖寬度調制電路所需 的輸入信息，脈沖寬度調制狀態機電路根據信息輸出預定要求的數字信號給H橋驅動器。 如沒有數據設定，狀態機電路則通過讀取預存數據，并輸出默認的控制信號以在沒有外設 控制器時使用；而且通過選擇輸出復制功能，還可以簡化通道2和通道3的操作。數據處理及數據接口電路通過組合通道片選，內部寄存器片選信號及模塊讀寫使 能信號產生各寄存器的讀寫使能信號，它的輸入信號通過讀寫模塊得到，該電路計算處理 的數據輸出到電機控制電路狀態機模塊；周期信號發生器生成脈寬調制的周期控制信號，周期信號發生器通過內部傳過來 的周期寄存器值，產生脈寬調制的周期控制信號，并輸出到電機控制電路狀態機模塊、可編 程分頻器和數據處理及數據接口電路；可編程分頻電路，通過寫入分頻數據，在時鐘的驅動下計數到符合要求的數據時， 輸出時鐘使能信號，作為脈沖寬度調制電路所需的輸入信息，這樣既實現了時鐘分頻的目 的，又能使整個脈寬調制器統一用一個時鐘，解決時鐘偏移和驅動不足的問題。脈沖寬度調制狀態機(PWMFSM)是產生電機控制脈寬調制信號的模塊，在周期控 制信號的控制下，以及從可編程分頻器得到的當前的時鐘使能信號和從數據處理及數據接 口電路得到的信號進行處理，電機控制電路狀態機(PWMFSM)最終輸出2路脈寬調制信號。 狀態機由狀態寄存器和組合邏輯電路構成，屬于共知的技術。本發明的優點本發明與現有技術相比，其優點為專門針對H橋驅動器設計的電機控制電路能 顯著減輕外設單片機(或控制器)的運算時間和硬件成本，且內置的高分辨率的計數器能 夠提供非常平滑和靈敏的電機驅動信號，結合智能數據接口電路使得其能適應不同的外設 數據寬度，可編程分頻電路能提供更為寬廣的調制信號周期和寬度；可編程信號檢測單元 可以方便檢測到預定觸發信號啟動脈寬調制信號輸出，毋須單片機控制。且具有硬件效率 高、體積小、周期時間范圍寬、脈沖寬度調節方便、功耗低、控制靈活，輸出穩定等特性，可廣 泛應用于步進電機、交流電機及直流電機等需要H橋驅動的電子領域。


圖1是本發明基于H橋驅動器的電機控制器的整體電路框圖2是本發明中的可編程邊沿檢測電路圖；圖3是本發明中的智能數據接口邏輯電路圖；圖4是本發明的輸出控制脈沖波形圖；圖5是本發明中的可編程電機控制電路通道總圖；圖6是本發明中的數據處理及接口電路框圖；圖7是本發明中的可編程分頻器電路圖；圖8是本發明中的電機控制電路狀態機工作流程圖。
具體實施例方式圖1為基于H橋驅動器的電機控制器的整體電路框圖，其中包含邊沿檢測單元、片 選譯碼單元、控制邏輯單元、智能數據接口內外數據轉換單元、讀寫邏輯單元以及3個可編 程電機控制電路通道組成。其中片選譯碼單元負責對地址線進行譯碼，以產生合適的寄存 器選擇信號供各模塊在處理數據讀取時使用；控制邏輯單元實現對外網引腳的采樣并提供 對個模塊的不同操作，比如讀寫等控制；讀寫邏輯單元實現內部數據的讀寫操作。其它的邏 輯模塊功能的進一步說明見下文。參見圖2，可編程邊沿檢測電路在接收到內部數據線傳輸過來的邊沿類型數據后， 啟動信號檢測電路。信號檢測電路通過在時鐘沿多次采樣輸入信號以確定信號在每個時鐘 的變化情況，并根據變化情況與預定的信號類型進行比對，對符合要求的結果輸出高電平， 并保持輸出。參見圖3，智能數據接口內外數據轉換單元用于處理外部數據總線(包括外部為 16位數據總線或8位數據總線連接方式)到內部數據總線的轉換。當數據寬度設置選擇 為1，采用16bits的數據傳輸、當數據寬度設置為0，采用Sbits數據傳輸。由于內部數據 采用16bits傳輸，因此通過分析地址的奇偶特性來確定數據的高低字節存放，具體來說通 過控制邏輯電路單元反饋的字節選擇位，讀寫邏輯電路能夠自適應的把16bits的寄存器 的數據信息分割加載到合適的數據通道上，完成數據的輸入輸出控制。同時為實現數據的 雙向流通，本模塊通過由片選，讀寫使能信號控制的雙向的三態門接口電路隔離讀寫信息。參見圖4為電路最后輸出的控制電機的波形，為簡化控制數據，本發明采用的電 機控制器需要輸入的脈寬信息僅需要周期和有效占空比值，通過以下公式即可通過得到相 應的輸出脈寬的特征信息。具體如下(其中，V表示電壓，D表示占空比，T表示周期，F表示函數)V電機=F(V平均電壓)=F(VXDwjs^fitfc) (1)D有效占空比=(T正脈沖長度—T負脈沖長度)/T周期(2)T周期=T正脈沖長度+T負脈沖長度+2T死區(3)T 死區/T 周期=1% (4)聯合上述4個方程，可以解得出相對的Te沖長度和Tmw長度，從而得到整個輸出控 制脈沖的特征信息。這是實現H橋電機控制的理論基礎，也是實現數據處理電路設計的基 石出。參見圖5，為每個可編程電機控制電路通道總圖，其中電機控制電路最終輸出控制 用的脈寬調制信號。它包含數據處理及接口電路、脈寬周期發生電路、可編程分頻電路、脈沖寬度調制狀態機電路。其中的周期信號發生器(ClkGen)生成脈寬調制的周期控制信號。其周期長短由 傳過來的周期寄存器值決定。周期信號發生器通過內部計數器計數時鐘，并與比對，產生脈 寬調制的周期控制信號。參見圖6，為每個通道中的數據處理及接口電路，通過組合通道片選，內部寄存器 片選信號及模塊讀寫使能信號產生各寄存器的讀寫使能信號，讀寫操作時通過三態門與內 部數據通道進行數據交換。寫入本模塊的寄存器信息將進行數據校驗，只有校驗合格的數 據才能被載入到內部寄存器的一級緩沖器中，合格的數據接收到的在時鐘的驅動下開始進 行數據解算，得到控制脈沖的各特征信息。計算完成的特征數據將被作為內部寄存器的一 級緩沖器數據，同時將輸出到電機控制電路狀態機(PWMFSM)模塊。參見圖7，為每個通道中的可編程分頻器電路，此電路在接收到內部數據線傳輸過 來的分頻因子數據后，啟動分頻計數器。分頻計數器在時鐘的驅動下進行加1計數，當計數 到合適的數據區域后，輸出當前的時鐘使能信號。圖5中的電機控制電路狀態機(PWMFSM)，是產生電機控制脈寬調制信號的模塊。 具體的狀態機的轉換流程圖參考圖8。狀態機在符合條件的寄存器值寫入通道寄存器后，在 周期控制信號的起始信息引導下，在時鐘的上升沿將內部寄存器一級緩沖器寫入到本模塊 中的電機控制電路信息寄存器緩沖器中，以便在下一個運行周期內載入到電機控制電路的 狀態機中。同時狀態機內部的16位計數器通過減1計數，比對是否到0，決定輸出高電平或 低電平，最終形成H橋驅動器所需的電機控制信號。具體來說，其中電機控制電路狀態機的工作流程可以簡述如下狀態機啟動后，并 根據當前狀態輸出脈沖驅動信號。狀態機的運轉流程如下復位或停止工作時進入起始等 待狀態，在合法的數據寫入通道寄存器后，在啟始信號被接收后，載入當前的通道內部寄存 器緩存的數據到狀態機定時器，并進入正向脈沖狀態，準備輸出正向電機驅動信號；在正向 脈沖狀態下，定時器減計數，直到完成正向驅動所需要的時間；并在結束正向驅動的輸出后 進入死區1狀態。在死區1狀態，關閉正向，負向電機驅動信號，并通過定時器等待死區時 間結束后進入負向脈沖狀態；在負向脈沖狀態下，定時器減計數，直到完成負向驅動所需要 的時間；結束負向驅動的輸出后進入死區2狀態。在死區2狀態，關閉正向，負向電機驅動 信號，并通過定時器等待死區時間結束后進入起始空閑狀態，等待下一次的啟動信號。至此 電機控制電路狀態機就完成了 一個完整的脈寬調制過程。同時針對其它通道，本模塊還專門設置有輸出復制功能選擇，當選擇輸出復制功 能時，其它通道可以同步選定通道的輸出控制信號，而在不選擇時，則獨立工作，這樣非常 方便的實現了硬件連接的靈活性并大大減輕了軟件開銷。由于整個電路內部包含3個完全一樣的獨立通道，因此為了更方便的對控制字進 行操作，通過對控制字寄存器的分析，控制邏輯電路將自動將當前被操作通道的控制寄存 器信息存儲在對應的控制寄存器備份中。這樣既方便編程時靈活的操作各通道，又可避免 在讀寫過程中誤修改非相干通道內的控制信息；同時，由于每個通道都是獨立的，對其控制 也是獨立的，不僅可以任意實現每個通道的開關等功能，還可以利用邊沿檢測端口對通道 進行獨立開關控制。此外，如果需要有更多的PWM信號輸出，僅僅需要增加通道數量以及地 址線，并不需要修改整個電路結構，也不需要額外增加電路設計。
權利要求
1.一種基于H橋驅動器的電機控制器，由邊沿檢測單元、片選譯碼單元、控制邏輯單 元、智能數據接口內外數據轉換單元、讀寫邏輯單元以及三個可編程電機控制電路通道組 成，這些單元通過控制總線與數據總線進行數據的傳輸和操作；其特征在于每個可編程電機控制電路通道，由數據處理及數據接口電路、脈寬周期信號發生器、可 編程分頻電路、脈沖寬度調制狀態機組成；數據處理及數據接口電路的輸入信號由控制總線發出的指令通過各電路中的讀寫模 塊經過數據總線得到，數據處理及數據接口電路通過組合通道片選、內部寄存器片選信號 及模塊讀寫使能信號產生各寄存器的讀寫使能信號，該電路計算處理的數據輸出到脈沖寬 度調制狀態機；周期信號發生器通過數據總線讀取內部傳過來的周期寄存器值，產生脈寬調制的周期 控制信號，并輸出到電機控制電路脈沖寬度調制狀態機、可編程分頻器和數據處理及數據 接口電路；可編程分頻器接收到內部數據總線傳輸過來的分頻因子數據后，啟動分頻計數器，輸 出當前的時鐘使能信號，作為脈沖寬度調制狀態機所需的輸入信息；脈沖寬度調制狀態機在周期控制信號的控制下，以及從可編程分頻器得到的當前的時 鐘使能信號和從數據處理及數據接口電路得到的信號進行處理，電機控制電路狀態機最終 輸出2路脈寬調制信號。
2.根據權利要求1所述的一種基于H橋驅動器的電機控制器，其特征在于可編程的 信號邊沿檢測單元電路由可編程數據接口電路和信號檢測電路組成，通過對寫入的數據進 行分析得到需要檢測的信號類型，當檢測到符合編程要求的信號后給出檢測標志，通過檢 測標志可以提供給對應通道的電機控制電路，就可以實現對PWM信號輸出的開關控制。
3.根據權利要求1所述的一種基于H橋驅動器的電機控制器，其特征在于片選譯碼 單元負責對地址線進行譯碼，以產生合適的寄存器選擇信號供各模塊在處理數據讀取時使 用。
4.根據權利要求1所述的一種基于H橋驅動器的電機控制器，其特征在于智能數據 接口內外數據轉換單元通過外設的一個數據端口選擇引腳采樣設置值，通過內部的讀寫邏 輯對外部數據進行搬運，實行內部數據(16位)與外部數據(8位或16位傳輸)的無縫連 接，然后在控制總線的指令控制下將數據讀出或寫入內部寄存器。
全文摘要
本發明涉及一種由集成電路構成的基于H橋驅動器的電機控制器，包括智能數據接口電路、信號檢測電路、片選譯碼電路、控制邏輯電路以及3路電機控制通道，通過對寫入接口電路的數據進行分析和計算，得到電機控制脈寬的周期、死區、正負脈沖的長度等信息，并結合可編程分頻電路給出的分頻因子產生脈沖寬度調制電路所需的輸入信息，脈沖寬度調制狀態機電路根據信息輸出預定要求的數字信號給H橋驅動器。與外設單片機(或控制器)相比，本發明能顯著減輕的運算時間和硬件成本，且內置的高分辨率的計數器能夠提供非常平滑和靈敏的電機驅動信號，結合智能數據接口電路使得其能適應不同的外設數據寬度，可編程分頻電路能提供更為寬廣的調制信號周期和寬度。
文檔編號H02P29/00GK102111105SQ200910251520
公開日2011年6月29日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者余向陽, 劉慶飛, 汪健, 王少軒, 陳遠金, 鞠莉娜 申請人:華東光電集成器件研究所