一種用於步進電機的驅動控制和轉角測量系統的製作方法

2023-07-27 05:36:11 1

本發明涉及電子測量技術領域，特別涉及一種用於步進電機的驅動控制和轉角測量系統。

背景技術：

在自動化控制系統中，步進電機是一種常用的裝置，尤其是在機械製造和精密測量等領域有著廣泛的應用。目前，傳統的步進電機驅動控制採用集成步進電機驅動器，主要是當集成步進電機驅動器收到一個脈衝信號，該脈衝信號驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度。因此，脈衝信號數量的多少決定了轉角的角度的大小，脈衝信號的頻率的高低決定了轉角的轉速的快慢，而脈衝信號的數量和頻率則由上位機軟體編程控制。這種步進電機的控制方式屬於開環控制，即控制信息只是單方面的從上位機經過驅動器到達步進電機，而不能對步進電機實際轉動狀態和相關參數(如每相中的實際工作電流，轉角，轉速)進行採樣反饋，難以保證步進電機轉動角度的精度，也不能發現如跳步，失步等步進電機轉動中可能出現的一些問題。

目前，在步進電機的轉角測量系統中，常用的元器件包括光電耦合器和光電編碼器等。其中，光電耦合器包括一個發射器(一般為LED)和一個接收器(一般為光電二極體)。在電機轉軸上安裝一轉盤，在轉盤上某些特定位置開設透明窗口，發射器和接收器分別固定在轉盤的兩側，發射器發出一道狹窄的光束，當電機轉動時，光束會透過窗口到達接收器或被轉盤非窗口處阻擋，接收器輸出相應的高低電平信號，再通過專門的電路轉化為位置和轉角信息。但是，由於透明窗口只位於電機轉盤的某些特定位置，而轉角的信息是通過接收器有效信號的個數和相鄰兩個透明窗口之間的角度來計算，在透明串口相距較遠時，轉角測量的精度就會大大降低。光電編碼器是光電耦合器的延伸，只是轉盤的透明開口和非開口處交替覆蓋整個圓盤一周。這樣在電機轉動時，轉盤的角度位置就被轉換為成比例的高低脈衝信號。目前，傳統的光電編碼器屬於增量式編碼器，轉盤上某一固定位置開口被標記為清零位置，轉盤轉動一周輸出一個清零信號。這種方式有著明顯的缺點，即轉角信息是相對於清零位置的轉角信息，當編碼器不動或停電時，只能靠計數設備的記憶來記住當前位置，一旦出現幹擾導致電機跳步或失步，記憶位置就會與實際位置有所偏移，並且這種偏移是無法獲得的，這樣，電機轉角的測試就會產生誤差甚至錯誤，無法對電機的實際轉動狀態進行準確監測。

技術實現要素：

本發明的目的在於，為解決現有的步進電機驅動控制和轉角測量系統存在的上述問題，本發明提供了一種用於步進電機的驅動控制和轉角測量系統，該測量系統是基於LMD18200晶片的步進電機閉環控制，並採用絕對式編碼器測量轉角；該測量系統包括：上位機，單片機控制器，步進電機驅動板，步進電機，聯軸器，絕對式編碼器和串口協議轉換器；該上位機通過USB信號線與該單片機控制器連接，該單片機控制器通過控制信號線和反饋信號線與該步進電機驅動板連接，該步進電機驅動板通過驅動電流線與該步進電機連接，該步進電機通過該聯軸器與該絕對式編碼器連接，該絕對式編碼器通過RS485串口線與該串口協議轉換器連接，該串口協議轉換器通過RS232串口線與該上位機連接，形成一個閉環控制。

所述上位機包括Keil uVvision4和Microsoft Visual Studio 2010，用於編譯控制信息代碼。

所述步進電機驅動板包括：74ALS367晶片，tlv5638晶片，lm555晶片，lm393-a比較器，lm393-b比較器，lmd18200晶片和電機；該74ALS367晶片通過管腳將數位訊號傳入下一級該tlv5638晶片，該tlv5638晶片將數位訊號轉換成目標模擬信號並傳入該lm393-a比較器的同向端中，來自該lmd18200晶片的反饋模擬信號通過管腳傳入該lm393-a比較器的反向端中，該反饋模擬信號與該目標模擬信號通過該lm393-a比較器進行比較，將比較結果傳入該lm555晶片，在由該lm555晶片構成的單穩態觸發器中，該比較結果生成了佔空比可調的PWM信號，並被傳入該lm393-b比較器中，該lm393-b比較器與外圍電阻構成反相器，在該反相器的反相作用下，該PWM信號被反相，並被傳入該lmd18200晶片，並在該lmd18200晶片中產生可調節的電流驅動該電機轉動。

當該反饋模擬信號大於該目標模擬信號時，所述該lm393-a比較器的比較結果為低電平信號，則該低電平信號傳入該lm555晶片的管腳上，在該lm555晶片中生成了高電平PWM信號，再由該lm555晶片的另一管腳輸出該高電平PWM信號，該高電平PWM信號傳入該lm393-b比較器中，該lm393-b比較器與外圍電阻構成反相器，在該反相器的反相作用下，該高電平PWM信號被轉換成低電平PWM信號，該低電平PWM信號傳入該lmd18200晶片中，產生的驅動電流減小，此時，該反饋模擬信號也隨之減小並最終等於該目標模擬信號，使步進電機以目標工作電流轉動。

當該反饋模擬信號小於該目標模擬信號時，所述該lm393-a比較器的比較結果為高電平信號，則該高電平信號傳入該lm555晶片的管腳上，在該lm555晶片中生成了低電平PWM信號，再由該lm555晶片的另一管腳輸出該低電平PWM信號，該低電平PWM信號傳入該lm393-b比較器中，該lm393-b比較器與外圍電阻構成反相器，在該反相器的反相作用下，該低電平PWM信號被轉換成高電平PWM信號，該高電平PWM信號傳入該lmd18200晶片中，產生的驅動電流增大，此時，該反饋信號也隨之增大並最終等於該目標模擬信號，同樣使步進電機以目標工作電流轉動。

在該lm393-a比較器中，該反向端中的反饋模擬信號與電機繞組中的電流成377nA/1A比例關係。

該步進電機與該絕對式編碼器的軸心與該聯軸器的軸心在同一水平線上；該聯軸器分別與該步進電機的轉軸和該絕對式編碼器的轉軸之間通過螺釘鎖死，無縫隙，無打滑。

所述上位機通過Keil uVvision4編譯控制信息代碼，再通過USB信號線將該控制信息代碼下載到該單片機控制器中並在其中運行，該單片機控制器產生相應的控制信號，通過控制信號線將該控制信號傳入該步進電機驅動板中，將該控制信號轉換成電流信號並驅動步進電機轉動，並對步進電機每相中的實際電流進行採樣並反饋到單片機控制器，實現對步進電機的閉環驅動控制。而步進電機的轉軸通過該聯軸器與該絕對式編碼器同軸連接，帶動該絕對式編碼器轉動，該絕對式編碼器將轉角信息通過RS485串口線傳入該串口協議轉換器，再通過RS232串口線傳入該上位機的軟體Microsoft Visual Studio 2010中，實現對步進電機的轉角實時測量。

本發明的優點在於：本發明中的所述步進電機驅動板是利用LMD18200晶片和外圍組件搭建的印製電路板，能夠同時實現對步進電機的驅動和電機每相繞組電流的採樣，屬於閉環控制方式，精度高，穩定性好；所述絕對式編碼器中的每個編碼位置是唯一的，無需記憶，也無需清零參考點，編碼位置只與最終位置有關而與中間過程無關，因此，抗幹擾性強，轉角測量準確且精度高；所述上位機中的軟體代碼為自行研製，電機控制部分流程清晰，步驟合理，無冗餘，運行效率高，而轉角檢測部分時間解析度高，實時性強，時間精度高達5毫秒，測量準確。

附圖說明

圖1是本發明的一種用於步進電機的驅動控制和轉角測量系統的結構示意圖

圖2是圖1的本發明的一種用於步進電機的驅動控制和轉角測量系統中的步進電機驅動板的電路示意圖

圖3是本發明的一種用於步進電機的驅動控制和轉角測量系統的步進電機，聯軸器和絕對式編碼器的結構連接示意圖

圖4是本發明的一種用於步進電機的驅動控制和轉角測量系統的上位機顯示的步進電機正常轉動時的轉角測量圖

圖5是本發明的一種用於步進電機的驅動控制和轉角測量系統的上位機顯示的步進電機發生跳步時的轉角測量圖

具體實施方式

以下結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。

如圖1和3所示，本發明提供一種用於步進電機的驅動控制和轉角測量系統，該測量系統是基於LMD18200晶片的步進電機閉環控制，並採用絕對式編碼器測量轉角；該測量系統包括：上位機，單片機控制器，步進電機驅動板，步進電機，聯軸器，絕對式編碼器和串口協議轉換器；該上位機通過USB信號線與該單片機控制器連接，該單片機控制器通過控制信號線和反饋信號線與該步進電機驅動板連接，該步進電機驅動板通過驅動電流線與該步進電機連接，該步進電機通過該聯軸器與該絕對式編碼器連接，該絕對式編碼器通過RS485串口線與該串口協議轉換器連接，該串口協議轉換器通過RS232串口線與該上位機連接，形成一個閉環控制。

所述上位機包括Keil uVvision4和Microsoft Visual Studio 2010，用於編譯控制信息代碼。

如圖2所示，所述步進電機驅動板包括：74ALS367晶片，tlv5638晶片，lm555晶片，lm393-a比較器，lm393-b比較器，lmd18200晶片和電機；該74ALS367晶片通過管腳將數位訊號傳入下一級該tlv5638晶片，該tlv5638晶片將數位訊號轉換成目標模擬信號並傳入該lm393-a比較器的同向端中，來自該lmd18200晶片的反饋模擬信號通過管腳傳入該lm393-a比較器的反向端中，該反饋模擬信號與該目標模擬信號通過該lm393-a比較器進行比較，將比較結果傳入該lm555晶片，在由該lm555晶片構成的單穩態觸發器中，該比較結果生成了佔空比可調的PWM信號，並被傳入該lm393-b比較器中，該lm393-b比較器與外圍電阻構成反相器，在該反相器的反相作用下，該PWM信號被反相，並被傳入該lmd18200晶片，並在該lmd18200晶片中產生可調節的電流驅動該電機轉動。

當該lm393-a比較器的比較結果是該反饋模擬信號大於該目標模擬信號時，所述比較結果為低電平信號，則該低電平信號傳入該lm555晶片的管腳上，在該lm555晶片中生成了高電平PWM信號，再由該lm555晶片的另一管腳輸出該高電平PWM信號，該高電平PWM信號傳入該lm393-b比較器中，該lm393-b比較器與外圍電阻構成反相器，在該反相器的反相作用下，該高電平PWM信號被轉換成低電平PWM信號，該低電平PWM信號傳入該lmd18200晶片中，產生的驅動電流減小，此時，該反饋信號也隨之減小並最終等於該目標模擬信號，使步進電機以目標工作電流轉動。

當該lm393-a比較器的比較結果是該反饋模擬信號小於該目標模擬信號時，所述比較結果為高電平信號，則該高電平信號傳入該lm555晶片的管腳上，在該lm555晶片中生成了低電平PWM信號，再由該lm555晶片的另一管腳輸出該低電平PWM信號，該低電平PWM信號傳入該lm393-b比較器中，該lm393-b比較器與外圍電阻構成反相器，在該反相器的反相作用下，該低電平PWM信號被轉換成高電平PWM信號，該高電平PWM信號傳入該lmd18200晶片中，產生的驅動電流增大，此時，該反饋信號也隨之增大並最終等於該目標模擬信號，同樣使步進電機以目標工作電流轉動。

在該lm393-a比較器中，該反向端中的反饋模擬信號與電機繞組中的電流成377nA/1A比例關係。

如圖2所示，該時鐘信號經過該74ALS367晶片到達該tlv5638晶片，為該tlv5638晶片提供數模轉換所需的基準時鐘源，決定數位訊號轉換成目標模擬信號的速率。該片選信號經過該74ALS367晶片到達該tlv5638晶片，當其為高電平時，表示該tlv5638晶片選通，開始數模轉換；當其為低電平時，表示該tlv5638晶片不選通，停止數模轉換。該方向信號經過該74ALS367晶片到達該lmd18200晶片，當該方向信號為高電平時，步進電機正向轉動，當該方向信號為低電平時，步進電機反向轉動。

該步進電機與該絕對式編碼器的軸心與該聯軸器的軸心在同一水平線上；該聯軸器分別與該步進電機的轉軸和該絕對式編碼器的轉軸之間通過螺釘鎖死，無縫隙，無打滑。

所述上位機通過Keil uVvision4編譯控制信息代碼，再通過USB信號線將該控制信息代碼下載到該單片機控制器中並在其中運行，該單片機控制器產生相應的控制信號，通過控制信號線將該控制信號傳入該步進電機驅動板中，該步進電機驅動板中，將該控制信號轉換成電流信號並驅動步進電機轉動，並對步進電機每相中的實際電流進行採樣並反饋到單片機控制器，實現對步進電機的閉環驅動控制。而步進電機的轉軸通過該聯軸器與該絕對式編碼器同軸連接，帶動該絕對式編碼器轉動，該絕對式編碼器將轉角信息通過RS485串口線傳入該串口協議轉換器，再通過RS232串口線傳入該上位機的軟體Microsoft Visual Studio 2010中，實現對步進電機的轉角實時測量。

如圖4和5所示，在步進電機正常轉動時和發生跳步時，步進電機轉角隨時間的變化關係。圖4橫坐標為時間(單位：10^3毫秒)，縱坐標為轉角(單位：度)，圖4顯示了步進電機某次運行12秒內的轉角測量結果，此時電機正常轉動。圖5橫坐標為時間(單位：5毫秒)，縱坐標為轉角(單位：度)，圖5顯示了步進電機某次轉動在第7380毫秒時發生跳步時的轉角測量結果，此時步進電機轉動一步的角度要比正常轉動時明顯偏大。圖4和圖5表明，該種用於步進電機的驅動控制和轉角測量系統能夠實現步進電機的驅動控制和轉角的精確測量，亦能及時發現步進電機轉動時發生的失步或跳步問題。

最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。