一種步進電機細分控制系統的製作方法
2023-06-10 11:31:07
本發明屬於電機控制系統領域，具體涉及一種步進電機細分控制系統。
背景技術：
從近代開始，電機控制的技術得到了迅猛的發展。電機控制技術極大的提高了勞動生產率和產品質量，推動了現代工業農業的巨大進步。例如數控工具機，印表機，繪圖機，機器人控制，無人駕駛飛機等場合都有應用。但是目前許多電機由於受本身結構的限制，如步進電機，步距角不可能做的很小，因而在低頻控制時容易產生震蕩、而在高頻時候易發生丟失步現象，而且電機噪聲明顯。於是電機細分技術應運而生，採用恆流與細分驅動技術可以大大提高步進電機的步距解析度，減小轉矩波動，避免低頻共振及降低運行噪聲，提高電機運行平穩，增加控制的靈活性。正是因電機細分技術的引入步進電機的性能得到大幅提升，使得步進電機替代了傳統的電機，電機細分技術的推動使得步進電動機推廣應用到其他領域，測量儀器、光學和醫療儀器以及包裝機械等其他運用到機械運動的領域。
步進電機作為電磁機械裝置，其解析度取決於細分驅動技術。與傳統的單片機控制相比，DSP進行軟體細分驅動，編程更靈活、通用、算法的優化簡易，具有更強運算能力的DSP能夠滿足電流環實控制的要求，使得步進細分驅動的成本降低、效率提高、可靠性增強、要修改方案也易辦到，被稱為最佳的電機控制方案。同時，還可解決步進電機在低速時易出現的低頻振動和運行中的噪聲等。但單一的軟體細分驅動在精度與速度兼顧上會有矛盾，細分的步數越多，精度越高，但步進電機的轉動速度卻降低；要提高轉動速度，細分的步數就得減少。為此，設計一種多級細分驅動的系統，通過不同的細分檔位設定，實現不同步數的細分，使用總線控制多種不同電機，同時保證不同的轉動速度的細分方式的電機系統的研究具有非常重要的意義。
以工業區域網技術為基礎的工廠自動化工程技術在最近十年得到了長足的發展，並顯示良好的發展勢頭。受這一發展趨勢影響，新的步進電機細分控制系統都配置了標準串行通信接口或現場總線通訊方式。CAN總線作為一種技術先進可靠性高、靈活性好、功能完善且成本合理的遠程網絡控制方式在工業控制領域中的應用非常廣泛。但就目前的市場上大多數的現場智能儀器儀表，電機控制裝置，通常採用了Modbus串行接口通信協議。由於Modbus 協議實現了OSI參考模型中應用層的定義,通常作為儀表設備網絡通信。
但Modbus協議與CANopen總線協議是互不兼容的。因此電機細分控制系統能將總線相互兼容尤為重要。
技術實現要素：
本發明克服了上述技術問題的缺點，提供了一種步進電機細分控制系統，本發明的步進電機細分控制系統支持Modbus和CAN兩種不同的總線協議方式進行通信，能實現步距精確細分。
為了解決上述技術問題，本發明提供了如下技術方案：包括DSP控制器，所述DSP控制器上設有PWM發生模塊、總線編碼模塊和串口模塊；所述控制系統還包括串口轉換模塊、總線線路模塊、光電隔離模塊、電機驅動模塊和步進電機；所述PWM發生模塊的輸出端連接所述總線編碼模塊的輸入端；所述總線編碼模塊的輸出端連接所述串口模塊的輸入端；所述串口模塊的輸出端連接所述串口轉換模塊的一端；所述串口轉換模塊的另一端連接所述總線線路模塊的輸入端；並將串口轉換模塊輸出的Modbus總線協議或CAN協議數據發送給所述總線線路模塊；所述總線線路模塊的輸出端連接所述光電隔離電路的輸入端；所述光電隔離電路接收所述協議數據，並將所述協議數據內的控制信號放大；所述光電隔離電路的輸出端連接所述電機驅動模塊；所述電機驅動模塊連接所述步進電機。
進一步的，所述步進電機細分控制系統還包括保護電路，所述電機驅動模塊通過所述保護電路連接所述DSP控制器內嵌的中斷口。
進一步的，步進電機細分控制系統還包括顯示模塊，所述顯示模塊通過所述DSP控制器內嵌的I/O口與所述DSP控制模塊連接。
進一步的，步進電機細分控制系統還包括穩壓電源模塊，所述穩壓電源模塊連接所述電機驅動模塊。
進一步的，所述DSP控制器內嵌的RAM中設有Modbus數據緩衝區和CAN數據緩存區；所述總線線路模塊包括Modbus總線線路和CAN總線線路；所述DSP控制器與Modbus總線線路的通信數據存入所述Modbus數據緩衝區；所述DSP控制器與所述CAN總線線路的通信數據存入所述CAN數據緩存區。
進一步的，所述DSP控制器採用的型號為TMS320F2812DSP控制器。
進一步的，所述電機驅動模塊採用的型號為THB6064AH的電機驅動模塊。
進一步的，所述步進電機細分控制系統還包括單片機模塊，所述單片機模塊連接所述總線編碼模塊，所述單片機模塊採用的型號為AT89S52單片機。
採用以上設計後，本發明與現有技術相比較具有以下有益效果：
本發明的步進電機細分控制系統，與傳統的步進電機細分控制系統相比具有更好的通用性，系統能將支持Modbus的設備或CANopen的設備接入系統，並實現步進電機細分控制，系統的總線轉換傳輸使得設備有更多的選擇進行通信傳輸，讓設備能在Modbus的傳輸距離可靠性和CAN總線的高速傳輸之間選擇，進一步加快了各設備之間的通訊速率與可靠性，符合當今控制器網絡化的發展需求，迎合了市場的需要。
附圖說明
圖1是本發明一種步進電機細分控制系統的組成框圖；
圖2是本發明一種步進電機細分控制系統的Modbus總線線路原理圖；
圖3是本發明一種步進電機細分控制系統的CAN總線線路原理圖；
圖4本發明電機驅動模塊採用的THB6064AH晶片的原理圖；
圖5是本發明根據電壓正弦PWM的DSP控制算法，利用Excel繪製的SPWM計算值曲線圖；
圖6是本發明CAN總線協議與Modbus總線協議間的轉換流程圖；
圖7是本發明一種步進電機細分控制系統的總流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。
請參閱圖1，本發明一種步進電機細分控制系統，包括一DSP控制器，所述DSP控制器上設有一PWM發生模塊、一總線編碼模塊和一串口模塊；所述控制系統還包括一串口轉換模塊、一總線線路模塊、一光電隔離模塊、一電機驅動模塊和一步進電機；所述PWM發生模塊的輸出端連接所述總線編碼模塊的輸入端；所述總線編碼模塊的輸出端連接所述串口模塊的輸入端；所述串口模塊的輸出端連接所述串口轉換模塊的一端；所述串口轉換模塊的另一端連接所述總線線路模塊的輸入端；並將串口轉換模塊輸出的Modbus總線協議或CAN協議數據發送給所述總線線路模塊；所述總線線路模塊的輸出端連接所述光電隔離電路的輸入端；所述光電隔離電路接收所述協議數據，並將所述協議數據內的控制信號放大；所述光電隔離電路的輸出端連接所述電機驅動模塊；所述電機驅動模塊連接所述步進電機。
本發明的步進電機細分控制系統能將支持Modbus的設備或CANopen的設備接入系統。其中，本發明的串口轉換電路即為網卡轉換電路，其功能是實現RS485總線協議與CAN總線協議的相互通信。本發明中應用的Modbus總線線路與CAN總線線路是分別依附於RS485線路網絡與CAN總線網絡的，因此物理層中兩種傳輸方式的轉換也是相互通信的重點。所述DSP控制器上擁有CAN總線與RS485的接口晶片，當需要將步進電機細分控制系統接入相應網絡時，直接選擇接入相應接口。相應的總線線路原理圖請參閱圖2和圖3所示。
請參閱圖2，所述Modbus總線線路包括Max485收發器和RS485總線，Max485收發器包括引腳A和引腳B，所述RS485總線線路包括引腳1和引腳2；所述引腳1連接所述引腳B，所述引腳2連接所述引腳A。所述Max485收發器採用單一電源+5V工作，額定電流為300μA，採用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉換為RS485電平的功能。MAX485收發器的晶片的結構和引腳都非常簡單,MAX485收發器內部含有一個驅動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端，與DSP控制器連接時只需分別與DSP控制器的RXD和TXD相連即可；和DE端分別為接收和發送的使能端，當為邏輯0時，MAX485收發器處於接收狀態；當DE為邏輯1時，MAX485收發器處於發送狀態，因為MAX485收發器工作在半雙工狀態，所以只需用DSP控制器的一個管腳控制這兩個引腳即可；A端和B端分別為接收和發送的差分信號端,當A引腳的電平高於B時，代表發送的數據為1；當A的電平低於B端時，代表發送的數據為0。在與DSP控制器連接時接線非常簡單。只需要一個信號控制MAX485的接收和發送即可。同時將A和B端之間加120Ω的匹配電阻，增大負載，減小回波反射，使信號到達傳輸線末端後不反射。
請參閱圖3，所述CAN總線線路包括SN65HVD230收發器和CAN總線；所述SN65HVD230收發器包括引腳CANH和引腳CANL,所述CAN總線線路包括引腳1和引腳2，所述引腳1連接所述引腳CANH，所述引腳2連接所述引腳CANL。SN65HVD230收發器可用於較高干擾環境下，其信號傳輸速率最高可達1Mb/s。SN65HVD230收發器具有高速、斜率和等待3種不同的工作模式。其工作模式控制可通過RS控制引腳來實現。CAN控制器的輸出引腳TX接到SN65HVD230收發器的數據輸入端D，可將此CAN節點發送的數據傳輸到CAN總線中；而CAN控制器的輸出引腳RX和SN65HVD230收發器的數據輸出端R相連，用於接收數據。SN65HVD230收發器方式選擇埠RS通過跳線和一端接地的斜率電阻器連接，通過硬體方式可實現3種工作模式的選擇。其中，本發明所使用的斜率電阻器為10kΩ，同時將A和B端之間加120Ω的終端電阻，以提高數字通信的抗幹擾性和可靠性。
進一步的，所述步進電機細分控制系統還包括保護電路，所述電機驅動模塊通過所述保護電路連接所述DSP控制器內嵌的中斷口。
進一步的，步進電機細分控制系統還包括穩壓電源模塊，所述穩壓電源模塊連接所述電機驅動模塊並為其供電。
進一步的，所述DSP控制器內嵌的RAM中設有Modbus數據緩衝區和CAN數據緩存區；所述總線線路模塊包括Modbus總線線路和CAN總線線路；所述DSP控制器與Modbus總線線路的通信數據存入所述Modbus數據緩衝區；所述DSP控制器與所述CAN總線線路的通信數據存入所述CAN數據緩存區。
進一步的，所述電機驅動模塊採用的型號為THB6064AH的電機驅動模塊。THB6064AH是一款整合邏輯模塊和功率模塊於一體的高性能兩相混合式步進電機驅動晶片。配合簡單的外圍電路即可實現高性能、多細分、大電流的步進電機驅動，採用脈寬調製，有多達8種細分可選(1/2、1/8、1/10、1/16、1/20、1/32、1/40、1/64、)具有驅動噪音低、震動小、性能可靠、性價比高的特點。THB6064AH的原理圖如圖4所示，在製作成實際工業板時，為了提高其抗幹擾能力，在各種電源和地線之間均勻放置多個0.1uf的去耦電容，以提高電源抗幹擾能力。對信號輸出接口OUT1A和OUT2A用撥碼開關來控制，留出了測量測試的引腳，避免測量貼片元件。
進一步的，所述DSP控制器採用的型號為TMS320F2812DSP控制器。TMS320F2812DSP控制器的主頻高達150MHz，片內具有高達128K字的編程FLASH，集成了PWM發生模塊，帶有CAP捕獲模塊的事件管理器(EV)模塊，32位定時器，12位AD採樣模塊，多個復用輸人輸出可自定義的I/O埠。所述顯示模塊通過所述DSP控制器內嵌的I/O口與所述DSP控制模塊連接。本實施例使用的步進電機一周為200步，若要實現128細分就需要至少擁有200*128個分級，因此至少需要擁有25600個採樣點才能還原所需近的近似正弦波。
因DSP控制器上TMS320F2812的晶振為30MHz，內部5倍頻後，系統時鐘為150MHz，TMS320F2812提供了事件管理器EVA，事件管理器EVA包括PWM產生電路，事件管理器EVA2分頻後定時器，所以最佳計數周期為13.33ns即TC＝13.33ns，載波頻率為f＝20khz，k為奇偶採樣點共25600個，M倍數取1。確定設定值後，利用Excel將公式和數值導入計算，部分計算值如表1。電壓正弦PWM的DSP控制算法，利用Excel將所得正弦值繪圖得附圖5。
表1 SPWM值計算結果
在TMS320F2812內開闢數組緩存，把所得的值放入保存，再用DSP控制器的PWM1～3引腳輸出近似正弦波的波形，再經過簡單處理，就可以輸出一個高準確度的三相SPWM波形，就可以實現DSP對細分驅動的控制。
進一步的，所述步進電機細分控制系統還包括單片機模塊，所述單片機模塊連接所述總線編碼模塊，所述單片機模塊採用的型號為AT89S52的單片機。所述AT89S52單片機作為從機通過Modbus總線線路接入設備進行接收數據。
標準的Modbus協議有兩種傳輸方式分別是ASCII(American Standard Code for Information Interchange)模式和RTU(Remote Terminal Unit)，本發明採用在相同波特率時可以傳輸更多字符的RTU方式。典型的RTU消息幀的讀格式，包括主機請求以及從機應答格式，為了達成通信必須定義標準協議的數據幀，它們分別如表1和表2所示的格式進行定義傳輸。其中，所述DSP控制器為主機，所述AT89S52單片機為從機。
表1主機向從機發送的請求消息幀格式
表2從機得到請求後向主機發送的響應消息幀格式
根據表1和表2RTU模式的消息幀結構，查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要執行何種功能。本發明自定義的功能代碼如表3所示。
表3本發明DSP控制器的電機細分控制系統功能表
本發明還實現Modbus總線協議與CAN總線協議的轉換。因為CAN總線協議中沒有定義數據幀中數據的應用功能，而Modbus協議卻有應用層的定義。因此，轉換協議時要按Modbus協議中的報文數據的含義對CAN總線報文數據場中的各數據定義功能。DSP控制器從設備接收到命令報文數據存放在CAN輸出數據區中。由於CAN總線傳輸的數據長度最大為8個字節，而Modbus協議需要傳輸的數據長度大於8個字節。為了配合CAN總線的傳輸方式，對Modbus傳輸到的數據在CAN總線上採用分次傳輸,在CAN總線報文中數據緩衝區的首段定義一個變量用於標記Modbus數據分段，變量用於表示報文是第幾次發送的報文。0代表Modbus協議命令字節一次傳輸完畢,1代表Modbus協議命令字節需要兩次傳輸完畢。DSP控制器在接收數據時,首先要檢測該變量數值，然後再根據值來判斷發送的數據類型，再讀取數據存入CAN數據緩存區中。
為了預防傳輸時出錯，本發明中採用了一種簡易的糾錯機制對數據進行校驗糾錯。
系統在完成一次完整的Modbus報文接收後，所述DSP控制器就進行CAN數據緩衝區和Modbus數據緩衝區的數據交換。同時計算該幀報文的CRC校驗碼，然後寫入到Modbus數據緩衝區。在Modbus數據緩衝區內是一個完整的、標準的Modbus RTU模式的報文內容。
在完成以上響應並在CAN數據緩衝區交換數據後，讓所述DSP控制器從Modbus數據緩衝區取出Modbus報文,並將報文數據通過所述DSP控制器的串口模塊發送到指定的Modbus總線線路中。然後DSP控制器等待接收Modbus總線線路的回答報文。並對Modbus總線線路設計一個約400ms的應答時間。
傳輸指令發出後超過設計應答時間若無響應，則需要重新發送。連續三次都沒接收到應答報文，則認為Modbus總線線路出現通信故障或設備損壞。將通信故障的標誌和緩衝程序寫入到Modbus數據緩衝區。如果有應答響應報文，則當接收完畢應答報文後,要對回答報文進行CRC校驗,如果CRC校驗錯誤或Modbus總線線路返回了錯誤應答報文，將錯誤標誌數據和錯誤應答報文傳進轉換設備。如果是讀功能，則將成功標誌數據和回答報文中數據域內容寫入到Modbus數據緩衝區。如果是寫功能。則只將成功標誌數據寫入到Modbus數據緩衝區。在所述DSP控制器完成一次Modbus通信後,要對Modbus與CAN數據緩衝區進行一次數據交換。所述DSP控制器將CAN數據緩衝區的數據發回到CAN總線線路，CAN總線線路要對錯誤信息進行相應的處理，這樣就完成了CAN協議到Modbus協議的轉換，並能實現錯誤糾錯。
請參閱圖6，CAN總線協議與Modbus總線協議間的轉換流程圖。協議轉換的程序編寫重點是在CAN與Modbus數據間的交換。首先系統對串口模塊進行初始化，對CAN數據緩衝區與Modbus數據緩衝區清空；然後判斷串口轉換模塊是否有數據輸入，若檢測到有數據輸入，則對所述串口轉換模塊的接口進行掃描檢測是CAN總線接口還是Modbus總線接口被接入網絡，確定後開始接收數據，並對數據進行錯誤校驗，檢驗數據是否完整；當多次傳輸數據，確認數據完整後將數據存入相應的CAN數據緩衝區或Modbus數據緩衝區中，並與另標誌位一種總線方式的數據進行交換，轉存至另一個數據緩衝區中；然後將數據轉發送到另一端的設備上並發送確認報文，從設備上接收並回答報文，若報文回答正確再向DSP控制器發送數據並回傳至系統，轉換完成，若報文無回答，則檢測數據是否已經發送3次，若已發送3次則重置錯誤標誌位，若沒有發送有3次，則返回繼續發送確認報文；另外，報文回答若不正確，也需要重置錯誤標誌位。
請參閱圖7，本發明一種步進電機細分控制系統的控制過程，首先由DSP控制器對各模塊進行初始化，對DSP控制器內部中斷提供使能，對事件管理器EVA初始化，對串口模塊和CAN總線線路初始化，清空Modbus數據緩衝區與CAN數據緩衝區，對步進電機經行使能初始化，參數定義與功能模塊單元的參數初始化，設置Modbus中斷響應、電機細分算法計算部分等。程序初始化各模塊後，確認串口轉換模塊所接入的總線方式，從單片機模塊中讀取設備編號發送報文確認設備，然後通過DSP控制器設定所要輸出的電流、細分度、旋轉方向以及速度。當設定完成後啟動系統向所述電機驅動模塊輸出輸出控制信號，驅動所述步進電機進行相應的運動。
上述說明是針對本發明較佳可行實施例的詳細說明，但實施例並非用以限定本發明的專利申請範圍，凡本發明所提示的技術精神下所完成的同等變化或修飾變更，均應屬於本發明所涵蓋專利範圍。