基於can總線的步進電機驅動裝置的製作方法
2023-09-11 07:07:05 1
專利名稱：基於can總線的步進電機驅動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及步進電機系統在數字控制系統中的應用技術，具體地說是 一種基於CAN總線的步進電機驅動裝置。
背景技術：
隨著步進電機系統在各種數字控制系統中的廣泛應用，各種數字控制 系統隨步進電機性能和使用條件的要求也越來越高。這就要求不斷研製出 高性能高可靠性高集成化低價位的驅動器滿足需求。眾所周知，國內對這 方面的研究一直很活躍，但是可供選用的高性能的步進動機驅動器卻很少， 而且國內的驅動器方面基本都存在著體積大、外形尺寸不規則、性能指標 不穩定及遠沒有達到系列化等問題，這就給驅動器的選用和安裝帶來了極 大的不便，國外雖然有通用的各種類型的步進電機驅動器，但大都存在價 格昂貴，與我國的系統連接不匹配等問題。
步進電機不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用的步進電 機驅動器。步進電機系統的性能，除與步進電機自身的性能有關外，也在 很大程度上取決於驅動器的性能。步進電機在運行時， 一般有以下問題
步進電機的各相繞組都是開關工作，多數電機繞組都是連續的交流或 直流，而步進電機的各相繞組都是脈衝式供電所以繞組電流不是連續的。
步進電機各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以都有較大的電感。繞 組通電時，電流不能迅速上升至額定值，電流上升率受到限制，繞組斷電 時，應該電流截止的相不能立即截止。繞組導通和截止都會產生較大的反 電勢，而截止時反電勢將對驅動級器件的安全產生有害的影響。
步進電機運轉時在各相繞組中產生旋轉電勢，這些電勢的大小和方向 將對繞組電流產生很大的影響。由於旋轉電勢基本上與電機轉速成正比， 轉速越高，電勢越大，繞組電流越小，從而使電機輸出轉矩也隨著轉速升 高而下降。 、
步進電機的固有解析度不高，不能精密位移。以應用最廣的8極50齒 兩相混合式步進電機為例，其步距角為0.9°/1.8°,需配合機械減速機構以達 到所需要的脈衝當量精度，但是，機械系統的增加也同時帶來了一個誤差源。
步進電機在低頻運行時的振蕩及過衝問題，嚴重限制了步進電動機的應用範圍。對這個問題的解決辦法，除了改善負載特性及附加機械阻尼外， 還可以在驅動電源方面加以改善，如引入電磁阻尼、釆用細分驅動等辦法 來解決。
發明內容
本發明的目的就是為了解決以上問題，提供 一 種能實現輸出轉矩不隨
著轉速升高而下降、解析度高、應用範圍廣的基於CAN總線的步進電機驅 動控制的裝置，使外圍電路簡單，接口能力強、成本低、可選資源豐富。
本發明實現了上述目的的技術方案包括中央處理單元，所述中央處 理單元與CAN總線接口電路相連，用於接收上位機的控制信號和上傳步進 電機的轉角信息；與LED指示電路相連，用於指示步進電機的運行狀態； 與AD轉換電路相連，用於檢測步進電機的轉動角度，以便控制器實現位 置閉環；與鍵盤掃描電路相連，用於設置步進電機的細分數和相繞組的最 大電流值；
斬波恆流驅動電路，與中央處理器通訊，輸出接步進電機的驅動控制
驅動控制電路，其輸入與中央處理器通訊，並接收斬波恆流驅動電路 輸出信號，輸出至兩相步進電機；
電流檢測電路，接收驅動控制電路的輸出信號，輸出至斬波恆流驅動 電路。
所述斬波恆流驅動電路由D/A轉換器，第一比較器、第二比較器，第 一D觸發器、第二D觸發器組成，其中D/A轉換器接收來自中央處理單 元的控制信號和數據，D/A轉換器將電壓信號輸出給第一比較器、第二比 較器的正向輸入端，第一比較器、第二比較器的負向輸入端接收電流檢測 電路檢測到的電壓信號，第一比較器、第二比較器的輸出端接第一D觸發 器、第二D觸發器的CD端，第一D觸發器、第二D觸發器的CLK端還 接收中央處理單元輸出的方波信號，第一D觸發器、第二D觸發器的輸出 端Q接至驅動控制電路的使能端，實現恆流、斬波功能。
所述電流檢測電路包括釆樣電阻，由第40電阻和第40電容構成的低通 濾波電路和由第41 42電阻和運算放大電路構成的放大電路，其輸入端通過 釆樣電阻與驅動控制電路的相連，將電樞電流信號轉化成電壓信號，以獲得 步進電機的電樞電流，釆樣電阻上的電壓信號經所述低通濾波電路，輸出頻 率與步進電機轉速相對應、相位與步進電機相繞組的相位相對應、幅值與步 進電機線繞組電流成正比的信號，經放大電路輸出給斬波恆流驅動電路；
所述驅動控制電路由第一 二三輸入與門、雙H橋驅動器、第一、二、三、四反向器組成，其中第一 二三輸入與門接收中央處理器和斬波恆流驅 動電路的輸出信號，輸出接至雙H橋驅動器；第一、二、三、四反向器接
收中央處理器的方向控制信號，輸出接至雙H橋驅動器；雙H橋驅動器的 輸出端連接到步進電機的相繞組上；
所述CAN總線通訊電路由第一 二光電耦合器、CAN收發器、DC/DC 隔離電源組成，第一光電耦合器的輸入端與中央處理器的TD1端相連，輸 出給CAN收發器；第二光電耦合器的輸入端與CAN收發器相連，輸出給 中央處理器的RD1端；CAN收發器的CANH、 CANL經接口 X2與CAN 總線相連；所述DC/DC隔離電源為CAN總線提供電源，以實現CAN總線 與系統的電源的隔離。
釆用以上方案的有益效果
1、 避免了步進電機工作時的共振點。步進電動機由其自身原因，導致 其電器機械特性在某個頻率下，會產生丟步或跳步現象。採用細分驅動控制 電路後，改善了電器特性，消除了共振點，解決了低頻振蕩問題。細分後， 驅動電流的變化幅度減小，故轉子達到平衡位置時的過剩能量也減少。另一 方面，控制信號的頻率提髙了N倍(細分數)，可遠離轉子的低頻諧振頻率。
2、 低頻、低轉速工作穩定，轉矩增大，噪聲降低。由於釆用了細分驅 動控制電路，在低速工作時電機的加速力矩明顯減小，因為工作力矩=(輸 出力矩一加速力矩)，輸出力矩為步進電機靜止時可產生的最大力矩，它的 值一般大於工作輸出力矩。由於加速力矩的減小，可以使輸出工作力矩增加， 所以細分後電機變得有勁，帶負載能力提高，尤其在啟動和低速狀態。由於 加速度的減小，步進電動機低速運行噪聲也大大減小，改善了工作環境。
3、 在不改變電機內部參數的情況下，減小步距角、減小步進誤差，即 提高了解析度和步距精度。
4、 應用範圍廣。本發明不僅可以應用於兩相步進電機的控制，還適用 於直流有刷電機的控制。
圖l、本發明電源部分結構框示意圖。
圖2、本發明實施例整體結構方框圖示意圖。
圖3、本發明圖2的中央處理器ARM7部分電路原理示意圖。
圖4、本發明圖2的斬波恆流驅動電路部分結構原理示意圖。
圖5、本發明圖2中電流釆樣電路原理示意圖。
圖6、本發明圖2中驅動控制部分電路原理示意圖。
圖7、本發明圖2中CAN通訊總線接口電路部分電路原理示意圖。，
具體實施例方式
下面通過具體的實施例並結合附圖對本使用新型作進一步詳細的描述。
如圖l所示，基於CAN總線的步進電機驅動裝置的電源部分，包括濾 波電路10-1、電壓轉換模塊10-2、穩壓電路A10-3和穩壓電路B10-4。輸 入電源經濾波電路10-1濾波後輸入給電壓轉換模塊10-2,該電壓轉換模塊 輸出5V的直流電壓用於對電路的有源器件供電；該5V的直流電壓再經過 穩壓電路A 10-3和穩壓電路B 10-4分別輸出3.3V、 1.8V電壓供給中央處 理器1。該電壓轉換模塊10-2的輸入電壓最高可達40V，這樣就可以使該 驅動裝置用於不同電壓等級的步進電機。
如圖2所示，本例中的基於CAN總線的步進電機驅動裝置包括中央處 理單元1、斬波恆流驅動電路2、驅動控制電路3、電流檢測電路4、 CAN 總線接口電路5、 LED指示電路6、 AD轉換電路7、鍵盤掃描電路8，所述 斬波恆流驅動電路2的輸入與中央處理器1和電樞電流檢測電路4相連， 輸出與步進電機的驅動控制電路3相連。驅動控制電路3的輸出端至兩相 步進電機，電流檢測電路4的輸入端接收驅動控制電路3的信號。與中央 處理單元1相連的CAN總線接口電路5用於接收上位機的控制信號和上傳 步進電機的轉角信息，LED指示電路6用於指示步進電機的運行狀態，AD 轉換電路7用於檢測步進電機的轉動角度，以便控制器實現位置閉環；鍵 盤掃描電路8用於設置步進電機的細分數和相繞組的最大電流值。
如圖3所示，中央處理單元1釆用32/16位ARM7TDMI-S微控制器 Ul,主要負責處理控制步進電機的時序和與上位機進行通信。該微處理器 的功耗極低，帶有4路10位的ADC， 2路CAN控制器，2個32位定時器， PWM單元等外設，滿足對步進電機的控制要求，並可提供CAN總線接口。
如圖4所示，所述斬波恆流驅動電路2的輸入端與中央處理單元1、電 流檢測電路4相連，輸出端與驅動控制電路3的輸入端相連。所述斬波恆流 驅動電路2由D/A轉換器U10,第一比較器U11A、第二比較器U11B，第 一D觸發器U12A、第二D觸發器U12B組成，其中D/A轉換器U10接收 來自中央處理單元1的控制信號和數據，D/A轉換器U10將電壓信號輸出給 第一比較器U11A、第二比較器U11B的正向輸入端，第一比較器U11A、第 二比較器Ul 1B的負向輸入端接收電流檢測電路4檢測到的電壓信號，第一 比較器U11A、第二比較器U11B的輸出端接第一D觸發器U12A、第二D 觸發器U12B的CD端，第一D觸發器U12A、第二 D觸發器U12B的CLK 端還接收中央處理單元l輸出的方波信號，第一D觸發器U12A、第二D觸 發器U12B的輸出端Q接至驅動控制電路3的使能端，實現恆流、斬波功能。如圖5所示，所述電流檢測電路4包括釆樣電阻RS2,由第40電阻R40 和第40電容C40構成的低通濾波電路和由第41~42電阻R41、 R42和運算 放大電路U16A構成的放大電路，其輸入端通過釆樣電阻與驅動控制電路3 的相連，將電樞電流信號轉化成電壓信號，以獲得步進電機的電樞電流， 釆樣電阻RS2上的電壓信號經所述低通濾波電路，輸出頻率與步進電機轉 速相對應、相位與步進電機相繞組的相位相對應、幅值與步進電機線繞組 電流成正比的信號，經放大電路輸出給斬波恆流驅動電路2。
如圖6所示，所述驅動控制電路3由第一 二三輸入與門U14B U14C、 雙H橋驅動器U13、第一、二、三、四反向器U15A、 U15D、 U15E、 U15F 組成，其中第一 二三輸入與門U14B U14C接收中央處理器1和斬波恆流 驅動電路2的輸出信號，輸出接至雙H橋驅動器U13;第一、二、三、四 反向器U15A、 U15D、 U15E、 U15F接收中央處理器1的方向控制信號， 輸出接至雙H橋驅動器U13;雙H橋驅動器U13的輸出端連接到步進電機 的相繞組上。
如圖7所示，所述CAN總線通訊電路5由第一 二光電耦合器U5 U6、 CAN收發器U7、 DC/DC隔離電源U8組成，第一光電耦合器U5的輸入端 與中央處理器1的TD1端相連，輸出給CAN收發器U7;第二光電耦合器 U6的輸入端與CAN收發器U7相連，輸出給中央處理器1的RD1端；CAN 收發器U7的CANH、 CANL經接口 X2與CAN總線相連；所述DC/DC隔 離電源U8為C AN總線提供電源，以實現C AN總線與系統的電源的隔離。
本發明成本低，抗幹擾能力強，可選資源豐富，具有良好的技術及竟 爭優勢。
權利要求
1. 一種基於CAN總線的步進電機驅動裝置，其特徵在於包括中央處理單元(1)，所述中央處理單元(1)與CAN總線接口電路(5)相連，用於接收上位機的控制信號和上傳步進電機的轉角信息；與LED指示電路(6)相連，用於指示步進電機的運行狀態；與AD轉換電路(7)相連，用於檢測步進電機的轉動角度，以便控制器實現位置閉環；與鍵盤掃描電路(8)相連，用於設置步進電機的細分數和相繞組的最大電流值；斬波恆流驅動電路(2)，與中央處理器(1)通訊，輸出接步進電機的驅動控制電路(3)；驅動控制電路(3)，其輸入與中央處理器(1)通訊，並接收斬波恆流驅動電路(2)輸出信號，輸出至兩相步進電機；電流檢測電路(4)，接收驅動控制電路(3)的輸出信號，輸出至斬波恆流驅動電路(2)。
2. 如權利要求1所述基於CAN總線的步進電機驅動裝置，其特徵是 所述斬波恆流驅動電路(2)由D/A轉換器(U10),第一比較器(U11A)、 第二比較器(U11B),第一D觸發器(U12A)、第二D觸發器(U12B)組 成，其中D/A轉換器(U10)接收來自中央處理單元(1)的控制信號和 數據，D/A轉換器(U10)將電壓信號輸出給第一比較器(U11A)、第二比 較器(U11B)的正向輸入端，第一比較器(U11A)、第二比較器(U11B) 的負向輸入端接收電流檢測電路(4)檢測到的電壓信號，第一比較器(U11A)、第二比較器(U11B)的輸出端接第一D觸發器(U12A)、第二 D觸發器(U12B)的CD端，第一D觸發器(U12A)、第二D觸發器(U12B) 的CLK端還接收中央處理單元(1 )輸出的方波信號，第一 D觸發器(U12A )、 第二D觸發器(U12B)的輸出端Q接至驅動控制電路(3)的使能端，實 現恆流、斬波功能。
3. 如權利要求1所述基於CAN總線的步進電機驅動裝置，其特徵是 所述電流檢測電路(4)包括釆樣電阻(RS2)，由第40電阻(R40)和第 40電容(C40)構成的低通濾波電路和由第41 42電阻(R41 R42)和運算 放大電路(U16A)構成的放大電路，其輸入端通過釆樣電阻與驅動控制電 路(3)的相連，將電樞電流信號轉化成電壓信號，以獲得步進電機的電樞 電流，採樣電阻(RS2)上的電壓信號經所述低通濾波電路，輸出頻率與步 進電機轉速相對應、相位與步進電機相繞組的相位相對應、幅值與步進電機線繞組電流成正比的信號，經放大電路輸出給斬波恆流驅動電路(2)。
4. 如權利要求1所述的基於CAN總線的步進電機驅動裝置，其特徵 是所述驅動控制電路(3)由第一 二三輸入與門(U14B U14C)、雙H 橋驅動器(U13)、第一、二、三、四反向器(U15A、 U15D、 U15E、 U15F) 組成，其中第一 二三輸入與門(U14B U14C)接收中央處理器(1)和斬 波恆流驅動電路(2)的輸出信號，輸出接至雙H橋驅動器(U13);第一、 二、三、四反向器(U15A、 U15D、 U15E、 U15F)接收中央處理器(1) 的方向控制信號，輸出接至雙H橋驅動器U13;雙H橋驅動器(U13)的 輸出端連接到步進電機的相繞組上。
5. 如權利要求1所述的基於CAN總線的步進電機驅動裝置，其特徵 是所述CAN總線通訊電路(5)由第一 二光電耦合器(U5 U6)、 CAN 收發器(U7)、 DC/DC隔離電源(U8)組成，第一光電耦合器(U5)的輸 入端與中央處理器(1)的TD1端相連，輸出給CAN收發器(U7);第二 光電耦合器(U6)的輸入端與CAN收發器(U7)相連，輸出給中央處理 器(1 )的RD1端；CAN收發器(U7 )的CANH、 CANL經接口 X2與CAN 總線相連；所述DC/DC隔離電源(U8 )為CAN總線提供電源，以實現CAN 總線與系統的電源的隔離。
6. 如權利要求1所述基於CAN總線的步進電機驅動裝置，其特徵是 所述中央處理單元(1 )釆用32/16位ARM7TDMI-S微控制器。
7. 如權利要求1或2所述基於CAN總線的步進電機驅動裝置，其特 徵是還包括電源部分，它的輸入端與直流電壓12V 40V相連，經過電壓 轉換後輸出5V電壓。
全文摘要
本發明公開一種基於CAN總線的步進電機驅動裝置。包括中央處理單元，與CAN總線接口電路、LED指示電路、AD轉換電路、鍵盤掃描電路相連；斬波恆流驅動電路，與中央處理器通訊，輸出接步進電機的驅動控制電路；驅動控制電路，其輸入與中央處理器通訊，並接收斬波恆流驅動電路輸出信號，輸出至兩相步進電機；電流檢測電路，接收驅動控制電路的輸出信號，輸出至斬波恆流驅動電路；輸出端分別與中央處理器及驅動控制電路相連接。本發明不僅具有能實現輸出轉矩不隨著轉速升高而下降、解析度高、應用範圍廣特點，還具有成本低、抗幹擾能力強、可選資源豐富及良好的技術及競爭優勢。
文檔編號G05B19/418GK101452286SQ200710158649
公開日2009年6月10日 申請日期2007年11月30日 優先權日2007年11月30日
發明者張進東, 凱 賈, 鄭春暉, 陳為廉, 輝 魏 申請人:瀋陽新松機器人自動化股份有限公司