一種智能型步進電機驅動系統的製作方法
2023-11-06 17:17:27
專利名稱：一種智能型步進電機驅動系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電機控制技術，具體的說是一種智能型步進電機驅動系統。
背景技術：
步進電機是一種作為控制用的特種電機，它的旋轉是以固定的角度(稱為「步距角」)一步一步運行的，其特點是沒有積累誤差(精度為100%)，所以廣泛應用於各種開環控制。步進電機的運行要有一電子裝置進行驅動，這種裝置就是步進電機驅動器，它是把控制系統發出的脈衝信號轉化為步進電機的角位移，或者說控制系統每發一個脈衝信號，通過驅動器就使步進電機旋轉一步距角。因此步進電機的轉速與脈衝信號的頻率成正比。所以，控制步進脈衝信號的頻率，可以對電機精確調速；控制步進脈衝的個數，可以對電機精確定位。步進電機驅動器外部輸入信號通常都是脈衝及方向控制信號，因為由外部撥碼開關來定義的細分種類極其有限，所以無法實現對細分的自由選擇。另外，步進電機驅動器在無傳感器的情況下無法對電機力矩進行檢測，從而也無法實現驅動電流根據電機負載的動態調節。
實用新型內容本實用新型目的在於針對上述現有技術的不足，提供了一種智能型步進電機驅動系統。該步進電機驅動系統可以實現電機控制細分的自由選擇及無傳感器下的電機力矩檢測，從而實現驅動電流根據電機負載的動態調節。本實用新型所採用的技術方案是—種智能型步進電機驅動系統，它包括單片機控制電路、與該單片機控制電路分別相連的電源電路、光電隔離電路、外部信號控制電路、電機選擇控制電路、細分電流選擇電路和功率驅動電路。該單片機控制電路包括單片機，和單片機相連的系統狀態顯示單元、AD檢測單元、 輸入檢測單元、外部信號控制選擇單元；功率驅動電路包括電機最大電流選擇單元、力矩檢測單元、電流跟隨單元、功率保護單元、步進脈衝產生單元、電流檢測單元、電流比較單元、主迴路驅動單元、主迴路功率單元。所述的步進脈衝產生單元和主迴路驅動單元連接，主迴路驅動單元和主迴路功率單元連接，主迴路功率單元分別和電機最大電流選擇單元、力矩檢測單元、功率保護單元、電流檢測單元連接；力矩檢測單元和電流跟隨單元連接、電流跟隨單元和電流比較單元連接、電流檢測單元和電流比較單元連接；電流比較單元和步進脈衝產生單元連接。其中系統狀態顯示單元，用以顯示整個系統的運行狀態，包括系統未正常運行、 系統內部電壓出錯、系統電壓過壓、系統電壓欠壓、系統過流等狀態；AD檢測單元，用於檢測系統工作電壓和系統電流；輸入檢測單元，用以檢測外部輸入信號，外部輸入信號包括外部電機控制信號和功能選擇信號；外部信號控制選擇單元，用以選擇外部信號控制方式，外部信號控制方式包括常規的「脈衝/方向」和「SPI/方向」控制方式2種。電源電路，用以對整體系統提供電源；光電隔離電路，用以對外部輸入的步進脈衝進行光電隔離後作為中斷信號輸出至功率驅動電路和輸入檢測單元，並對外部輸入的方向信號和允許信號進行光電隔離後，輸出至功率驅動電路和輸入檢測單元；外部信號控制電路，用以對步進電機進行控制，包括常規的「脈衝/方向」控制電路和SPI控制電路；電機選擇控制電路，用以選擇不同種類的電機控制方式，以保證受控電機在最優情況下運行；細分電流選擇電路，用以決定電機運行細分值和電機工作電流，並將所選擇的結果送入輸入檢測單元進行處理；電機最大電流選擇單元，用以步進電機最大電流的選擇；力矩檢測單元，用以電機運行時的力矩檢測功能；電流跟隨單元，用以控制驅動電流根據電機負載的動態調節功能；功率保護單元，用以防止功率驅動電路的過溫、短路、開路、欠壓；步進脈衝產生單元，用以產生與驅動電路相匹配的步進電壓脈衝；A/D轉換單元，用以檢測電機總電流的值；電流比較單元，用以將AD轉換單元的值和根據外部脈衝信號產生的相對應細分階梯電流的相應數值進行比較；主迴路驅動單元，用以驅動主迴路功率單元進行功率控制；主迴路功率單元，用以接收主迴路驅動單元的驅動信號，驅動電機運行。本實用新型的工作原理為在步進電機驅動器無力矩傳感器的情況下，通過檢測驅動器主迴路的工作電流，檢測到步進電機所帶負載的大小，根據所檢測到的結果動態調節步進電機驅動器的工作電流。當外部控制方式選擇為SPI控制方式時，外部控制信號可直接控制步進電機各相電流的大小，將電流值傳送到驅動器，驅動器根據接收到的電流數值調節電機的各相電流， 根據需要，可實現對步進電機的任意細分控制。採用上述的技術解決方案，在單片機控制電路的控制下，系統可以提供2種方式來控制電機。一種是常規的「脈衝/方向」控制方式，一種是SPI控制方式，電機線圈電流可以被直接控制，在SPI控制方式下，可以根據需要對電機進行任意的細分控制。這種方式提供了更為直接，工作電流更為平滑的控制操作。另外，本實用新型可實現步進電機無傳感器下的力矩檢測及驅動電流根據電機負載的動態調節。本驅動系統的工作過程如下本驅動系統分為2種控制方式，「脈衝/方向」和SPI控制方式。其中「脈衝/方向」控制方式是常規的控制方式，該方式分為脈衝和方向控制信號，脈衝信號控制電機的運行角度和速度，方向信號控制電機的運行方向。SPI控制方式分為電流信號和方向信號，其中方向信號與「脈衝/方向」一致；電流信號是由一組20bit的SPI字符串組成，其代表了步進電機2相的驅動電流，因此該控制方式可以以數字的形式直接控制步進電機的相電流，實現了任意細分的控制功能。需要指出的是，當系統處於SPI控制方式時，細分電流選擇電路的控制信號無效。當外部控制信號進入驅動系統，光電隔離電路將外部控制信號進行電氣隔離處理，控制信號發送到單片機部分，單片機同時檢測外部信號控制選擇單元、細分電流選擇電路、AD檢測單元和電機選擇控制電路，單片機根據接收到的信號做出如下控制功能1根據採集到的電機選擇控制電路信號，判斷驅動系統的電機控制策略。2根據採集到的AD檢測單元的信號，判斷驅動系統的工作狀態。3根據採集到的外部信號控制選擇單元，判斷系統的工作方式。4根據採集到的細分電流選擇電路的信號，判斷系統的工作細分值和電流。5接收外部控制信號，並進行相應處理，並將處理過的控制信號發送到功率驅動電路的步進脈衝產生單元。步進脈衝產生單元接收到單片機發來的控制信號產生與驅動電路相匹配的步進電壓脈衝並且將信號發送到主迴路驅動單元，主迴路驅動單元將控制信號進行放大，並發送給主迴路功率單元。主迴路功率單元直接接到外部步進電機進行控制。力矩檢測單元從主迴路功率單元採集驅動電流，並將採集到的驅動電流進行處理，檢測出當前電機工作負載力矩，並通過電流跟隨單元智能控制驅動電流，實現控制驅動電流根據電機負載的動態調節功能。功率保護單元防止主迴路功率單元過流。電機最大電流選擇單元控制主迴路功率單元的最大工作驅動電流。本實用新型的有益效果1、大大提高了電機驅動的性能，適用於兩相、三相、四相、 五相步進電機驅動器的改造。2、本實用新型由於引入了無力矩傳感器的力矩檢測功能及根據負載檢測功能實現的驅動電流動態調節功能，大大減少了無謂功耗，提高了電源效率實現了節能減排的目的。而且，由於SPI控制方式的引入，可以對電機相電流進行直接控制， 實現了對步進電機的任意細分控制。它是普通步進電機驅動器的升級換代產品，可廣泛用於機器人、工具機等精密控制設備上。
圖1為智能型步進電機驅動系統結構框圖；圖2為單片機控制電路結構框圖；圖3為功率驅動電路結構框圖。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1所示，一種智能型步進電機驅動系統，包括單片機控制電路、與該單片機控制電路分別相連的電源電路、光電隔離電路、外部信號控制電路、電機選擇控制電路、細分電流選擇電路和功率驅動電路。該單片機控制電路與功率驅動電路連接，接受2組外部光電隔離電路、電機選擇控制電路、細分電流選擇器的輸出信號，進行處理。如圖2所示，該單片機控制電路包括單片機，和單片機相連的系統狀態顯示單元、 AD檢測單元、輸入檢測單元、外部信號控制選擇單元。如圖3所示，功率驅動電路包括電機最大電流選擇單元、力矩檢測單元、電流跟隨單元、功率保護單元、步進脈衝產生單元、電流檢測單元、電流比較單元、主迴路驅動單元、 主迴路功率單元；所述的步進脈衝產生單元和主迴路驅動單元連接，主迴路驅動單元和主迴路功率單元連接，主迴路功率單元分別和電機最大電流選擇單元、力矩檢測單元、功率保護單元、電流檢測單元連接；力矩檢測單元和電流跟隨單元連接、電流跟隨單元和電流比較單元連接、電流檢測單元和電流比較單元連接；電流比較單元和步進脈衝產生單元連接。細分電流選擇器是外部設置的細分方式倍率選擇和電機工作電流選擇，它決定細分倍率究竟是2，4，8，16，32，64，128或其他。此外，它還與功率驅動電路中的最大電流選擇單元共同決定步進電機的工作電流。最大電流選擇單元決定整體系統可以驅動的最大工作電流，細分電流選擇器決定電機實際工作電流佔最大工作電流的百分比。電機選擇控制電路，用以選擇各種步進電機，驅動系統提供各種類型的步進電機控制策略。2組外部光電隔離電路，用於將系統和外部信號之間進行光電隔離，一組用於隔離外部脈衝/方向控制信號；一組用於隔離SPI接口控制控制信號。根據外部信號控制選擇單元的控制，將控制信號通過光電隔離電路作為單片機的外部中斷信號，這些中斷信號還傳送到功率驅動電路。單片機接收到控制信號，控制功率驅動電路對步進電機進行相應的控制。功率驅動電路通過力矩檢測單元檢測步進電機的負載情況，根據檢測到電機負載動態調節電機工作電流的大小，大大降低的系統的功耗。驅動器主迴路是PWM脈衝寬度調製型的功放電路，它接收步進脈衝產生的三相電機脈衝信號，經功率放大後完成驅動步進電機的功能。上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式
進行了描述，但並非對本實用新型保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護範圍以內。
權利要求1.一種智能型步進電機驅動系統，其特徵是包括單片機控制電路、與該單片機控制電路分別相連的電源電路、光電隔離電路、外部信號控制電路、電機選擇控制電路、細分電流選擇電路和功率驅動電路。
2.如權利要求1所述的智能型步進電機驅動系統，其特徵是所述的單片機控制電路包括單片機，和單片機相連的系統狀態顯示單元、AD檢測單元、輸入檢測單元、外部信號控制選擇單元。
3.如權利要求1所述的智能型步進電機驅動系統，其特徵是所述的功率驅動電路包括電機最大電流選擇單元、力矩檢測單元、電流跟隨單元、功率保護單元、步進脈衝產生單元、電流檢測單元、電流比較單元、主迴路驅動單元、主迴路功率單元；所述的步進脈衝產生單元和主迴路驅動單元連接，主迴路驅動單元和主迴路功率單元連接，主迴路功率單元分別和電機最大電流選擇單元、力矩檢測單元、功率保護單元、電流檢測單元連接；力矩檢測單元和電流跟隨單元連接、電流跟隨單元和電流比較單元連接、電流檢測單元和電流比較單元連接；電流比較單元和步進脈衝產生單元連接。
專利摘要本實用新型公開了一種智能型步進電機驅動系統，包括單片機控制電路，與該單片機控制電路分別相連的電源電路、光電隔離電路、外部信號控制電路、電機選擇控制電路、細分電流選擇電路和功率驅動電路。所述的單片機控制電路包括單片機、系統狀態顯示單元、AD檢測單元、輸入檢測單元、外部信號控制選擇單元。本實用新型由於引入了無力矩傳感器的力矩檢測功能及根據負載檢測功能實現的驅動電流動態調節功能，大大減少了無謂功耗，提高了電源效率實現了節能減排的目的。它是普通步進電機驅動器的升級換代產品，可廣泛用於機器人、工具機等精密控制設備上。
文檔編號H02P8/12GK202261141SQ201120413478
公開日2012年5月30日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者任蘭傑, 周廣旭, 張延波, 張曉鵬, 張琳, 王傳祥, 解兆延, 謝愛珍 申請人:山東省科學院自動化研究所, 濟南鐳之源電氣有限公司