专利名称：一种超高细分步进电机驱动器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于旋转步进电动机的步距控制技术领域，涉及一种细分倍数可达
I.7X 101°倍的超高细分步进电机驱动器
背景技术：
步进电机能将数字脉冲信号转变为相应的角位移，脉冲量与步进电机转过的角度、脉冲频率与步进电机的转速均保持严格的同步关系，因而被广泛应用于数控机床、自动生广线、自动化仪表等方面。在本发明以如的现有技术中，为了提闻步进电机的步进分辨率、克服步进电机在低速运转时的振动和噪声，在使用步进电机时，都要在驱动器上采用细分驱动技术。所谓细分驱动，是将步进电机固有步距角细分成若干小步的驱动方法，是通过驱动器精确控制步进电机的相电流来实现的。目前的步进电机细分驱动器细分倍数都是固定的或通过拨键开关来设定，或通过滑动电阻经A/D采样设定，细分数不高或改变细分数的方式不灵活，不能连续“平滑”变化，细分后的步距角均匀性也不好；方向、复位及驱动控制是通过发脉冲的方式进行，控制方式不够灵活；硬件上也需要环形分配器及电流反馈控制等额外功能设计，导致电路复杂，制造麻烦，成本加大。
发明内容针对上述现有技术状况，本实用新型的目的在于，提供一种可对步进电机的步距角进行灵活补偿且使步距角更加均匀、控制和驱动方式更加灵活、可通过串口发指令或按传统脉冲方式进行驱动的、可做到细分数连续变化无限细分无级调速的细分倍数可达 17179869184倍的超高细分步进电机驱动器。现将本实用新型的技术解决方案叙述如下本实用新型步进电机细分驱动器，包括信号处理器I、电平转换电路2、集成驱动电路3，其特征在于在信号处理器I内部集成有高精度时钟12、串行通讯接口 5、计数器6 和高精度脉宽调制器8 ;所述的信号处理器I为内部固化有齿距角细分补偿函数模块7的信号处理器，接收来自外部的驱动信号9、方向信号10、复位信号11和电平转换电路2的电平信号；所述的电平转换电路2接信号处理器I ;所述的串行通讯接口 5与计数器6、高精度脉宽调制器8连接；所述的计数器6与高精度脉宽调制器8连接；所述的齿距角细分补偿函数模块7与高精度脉宽调制器8连接；所述的集成驱动电路3接收来自信号处理器I输出的电流方向的控制信号04、Db和电流信号IA、IB，(见图I)。本实用新型进一步提供一种超高细分步进电机驱动器，其特征在于由高精度脉宽调制器8的周期寄存器的值决定输出的高精度脉宽调制器8波形的分辨率。本实用新型进一步提供一种超高细分步进电机驱动器，其特征在于由齿距角细分补偿函数模块7根据步进电机需要转动的角位置计算两相电流值和两相电流值的正负， 直接向驱动电路给出输出电流方向的控制信号Da、Db。本实用新型进一步提供一种超高细分步进电机驱动器，其特征在于由高精度脉宽调制器8模块中的比较寄存器与周期寄存器的比值决定输出高精度脉宽调制器8的输出电流Ia、Ib的大小。本实用新型同现有技术相比的优越性在于1、通过串口可灵活设定细分数，最大可设定至17179869184倍细分，从工业控制角度上讲，几乎已达到“无限”细分，细分数从4 倍至最大细分数可连续变化。2、驱动方式灵活，可以是硬件电平驱动，也可以采用软件通讯方法，直接设定步数；既可以两种方式同时驱动，也可以单独驱动。3、软件驱动时，驱动方向和驱动速度可设定,变速灵活。
图I :本实用新型超闻细分步进电机驱动器电路原理图图2 :实际位置与理想位置误差图3:步距角变化其中1信号处理器2电平转换3集成驱动电路4步进电机5串行通讯接口 6计数器7细分补偿函数模块8高精度脉宽调制器9驱动信号10方向信号11复位信号12高精度时钟13定时中断信号
具体实施方式
现结合附图将本实用新型的实施方式做进一步说明参见图I :将本实用新型超高细分步进电机驱动器分别与标准RS232C串口、外部 TTL电平驱动控制器、+12V直流稳压电流及两相混合式步进电机4相连。在本实用新型的信号处理器I内部集成有高精度时钟12、串行通讯接口 5、计数器6和高精度脉宽调制器 8 (Highaccuracy Pulse Width Modulate简称HPWM);利用高精度脉宽调制器8波形去控制两相混合式步进电机的相电流，实现齿距角的高分辨率细分组成框图如图I所示；系统工作时，选择120M的系统时钟作为高精度脉宽调制器8内部计数器的时基，高精度脉宽调制器8的周期寄存器TOHPWM的值决定了输出的高精度脉宽调制器8波形的分辨率；在信号处理器I内部还固化有齿距角细分补偿函数模块7，由该模块根据步进电机需要转动的角位置计算两相电流值，从而得到对应两路高精度脉宽调制器8的占空比，所述的占空比即输出电流IA、IB的大小。通过实时改变CRHPWM的值，并根据两相电流值计算结果的正负，直接向驱动电路给出输出电流方向的控制信号Da、Db。由于高精度脉宽调制器8的占空比的精度可以控制到32位，电流的细分精度也能达到32位，所以根据微步距角0与齿距角￥的关系式0 = V/4X 232，经齿距角细分补偿函数模块7计算补偿后的微步距角的分辨率就可达到齿距角的1/234。系统初始化时，设置驱动器的驱动方式为软硬件同时驱动，其中硬件驱动时，是对外部输入的“驱动”脉冲通过计数器进行计数，由“方向”控制输入电平决定计数器是“增计数”或是“减计数”，根据计数器的计数值，使占空比改变，从而使输出电流IA、IB的大小得到改变。用串口通讯可“使能”或“禁止”计数器来决定驱动方式。串口指令驱动时，可通过串口通讯直接修改高精度脉宽调制器8相关控制寄存器的值来实现细分驱动。系统通电，初始化程序设置驱动器的驱动方式为串口驱动和外部TTL电平均可驱动。由细分补偿函数模块7设置细分数，通过串行通讯接口 5发指令，如果不设置，缺省为6480倍细分，细分数设置后，系统掉电不丢失，下次系统上电后，缺省为前次设定的细分数。 保持“复位”控制端低电平，当外部“驱动”脉冲出现电平下降沿时，电机转过一个微步距角， 转动的方向由“方向”控制端电平决定，高电平时顺时针转动，低电平时逆时针转动。当“复位”控制端变为高电平时，计数器6清零，电机复位。如果不想让外部TTL电平驱动，则通过串行通讯接口 5发指令，禁止计数器6工作，计数器6处于低功耗状态，外部“驱动”脉冲出现电平下降沿时不再响应，外部TTL电平不能驱动电机旋转。用串行通讯接口 5发指令驱动时，可连续驱动或固定微步驱动。连续驱动时，首先通过串行通讯接口 5发指令，设置电机4转动方向、电机转速，如果不设置，缺省为电机顺时针方向旋转，电机转速36° /s，然后发启动电机指令，电机旋转直至通过串口 5接收到停转指令。固定微步驱动时，也是首先通过串口 5发指令，设置电机转动方向、电机转速，然后再发电机应转动的微步数，驱动器控制电机转过相应的微步后，电机自动停转，不需要干预。 连续驱动和固定微步驱动这两种串口指令驱动方式中，可单独采用其中的一种方式，也可交叉进行，从而使对电机的控制更加灵活为了检验设计效果，需要对步进电机细分控制系统的步距角进行测试。步距角测试系统由测试工装、0. 5秒级的高精度自准直仪、细分多齿分度台和带串口通讯功能的计算机等组成。0. 5秒级的高精度自准直仪带有数显功能及通过串口将显示角度进行远距离传输功能，在±300"的敏区范围内，方位测角精度达到0.5"。理论上，对应50个齿的35BYGH型步进电机，细分后的最小可达步距角为I. 5X10_6 角秒，但因步进电机步距角测量用的高精度自准直仪测角极差为1.5"，细分多齿分度台中误差为0. 5"，根据测量系统精度要高于被测系统精度一个数量级的要求，即受到测量系统精度的限制，同时也为了测量和数据处理方便，测试时，软件设定步距角为200"。参见图2、图3 :测试时，架设好仪器，系统通电。计算机根据通讯协议通过串口一向步进电机细分驱动器发出走一“步”的指令，然后自准直仪测量出方位变化，若超出自准直仪敏区范围，则微调细分多齿分度台，带动棱镜装置旋转，使之与自准直仪基本准直进入其测量范围，通过计算机串口二向自准直仪发指令，采集自准直仪方位角值，同时手动抄录细分多齿分度台位置，然后再进行下一步测量，依次进行，测得的实际位置与理想位置误差-步数曲线如图2所示，偏差最小为-45. 4"，最大为37.6"，极限误差为83"。步距角如图3所示，最小为182.8"，最大值为220.5"，最大相对误差为10.3%。
权利要求1.一种超高细分步进电机驱动器，包括信号处理器(I)、电平转换电路(2)、集成驱动电路(3)，其特征在于在信号处理器(I)内部集成有高精度时钟(12)、串行通讯接口(5)、 计数器(6)和高精度脉宽调制器(8);所述的信号处理器(I)为内部固化有齿距角细分补偿函数模块(7)的信号处理器，接收来自外部的驱动信号(9)、方向信号(10)、复位信号(11)和电平转换电路⑵的电平信号；所述的串行通讯接口(5)与计数器(6)、高精度脉宽调制器⑶连接；所述的计数器(6)与高精度脉宽调制器⑶连接；所述的齿距角细分补偿函数模块(7)与高精度脉宽调制器(8)连接；所述的集成驱动电路(3)接收来自信号处理器⑴输出的电流方向的控制信号DA、Db和电流信号IA、IB。
2.根据权利要求I所述的一种超高细分步进电机驱动器，其特征在于所述的高精度脉宽调制器(8)的周期寄存器的值决定输出的高精度脉宽调制器(8)波形的分辨率。
3.根据权利要求I所述的一种超高细分步进电机驱动器，其特征在于所述的齿距角细分补偿函数模块(7)根据步进电机需要转动的角位置计算两相电流值和两相电流值的正负，直接向驱动电路给出输出电流方向的控制信号Da、Db。
4.根据权利要求I所述的一种超高细分步进电机驱动器，其特征在于所述的高精度脉宽调制器(8)模块中的比较寄存器与周期寄存器的比值决定输出高精度脉宽调制器(8) 的输出电流IA、Ib的大小。
专利摘要本实用新型涉及一种细分倍数可达1.7×1010倍的超高细分步进电机驱动器，特征是在信号处理器内部集成有高精度时钟、串行通讯接口、计数器和高精度脉宽调制器；利用高精度脉宽调制器波形去控制两相混合式步进电机的相电流，实现齿距角的高分辨率细分；在信号处理器内部还固化有齿距角细分补偿函数模块，由该模块根据步进电机需要转动的角位置计算两相电流值，从而得到对应两路高精度脉宽调制器的占空比。同现有技术相比的优越性在于通过串口可灵活设定细分数，最大可设定至17179869184倍细分，细分数可连续变化，驱动方式灵活，可以是硬件电平驱动，也可以采用软件通讯方法直接设定步数；软件驱动时，驱动方向和驱动速度可设定，变速灵活。
文档编号H02P8/22GK202353511SQ20112004885
公开日2012年7月25日 申请日期2011年2月25日 优先权日2011年2月25日
发明者仲启媛, 张志利, 谭立龙, 郭晓松, 黄先祥 申请人:中国人民解放军第二炮兵工程学院