一种步进电机的控制装置及方法
【专利摘要】本发明属机电控制领域，具体涉及一种步进电机的控制装置及方法。该装置是由计算机、单片机、控制信号光电隔离电路、线性非稳压电源、输出电流控制电路、驱动电路、绕组电流采集电路、参考电压比较电路、反馈信号光电隔离电路组成，计算机与单片机通讯实现步进电机参数的远程设置，单片机根据设置参数控制步进电机驱动电路对步进电机的高精度转动，同时采集由绕组电流采集电路反馈的电流信号和实际行走脉冲数，从而实现了大功率步进电机的高精度控制。
【专利说明】一种步进电机的控制装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属机电控制领域，具体涉及一种步进电机的控制装置及方法。
【背景技术】
[0002] 由于步进电机具有低转速、大扭矩、误差不累计等特点，在高精度位移台、高精度 电动转台等精密测试设备领域得到广泛的应用。
[0003] 目前步进电机的控制方式大都采用功能单一的开环控制方式。其缺点有以下几个 方面：
[0004] 1)驱动脉冲频率准确度和稳定度不够高而引起各相绕组通电周期不一致导致控 制精度低；
[0005] 2)驱动脉冲频率不能根据负载需求和电机转速要求随意更改导致系统固有频率 与驱动频率发生谐振而发生颤振和啸叫；
[0006] 3)传统方式的细分控制通常是通过手动调节驱动器细分拨码开关来实现，不能根 据需要进行实时程控修改；
[0007] 4)由于传统控制装置驱动电流小且设定好后不能程控修改很难实现对大功率电 机的直接驱动，现阶段多数使用的方法是通过丝杠或涡轮蜗杆等传动方式牺牲转速而提高 扭矩以实现大负载驱动能力，但这种方式会引入机械结构件的齿间啮合误差和齿间空回， 使运动精度下降，为了解决运动精度的问题，多数设计者使用加装编码器作为反馈的方式， 但这无疑增加了设计成本和控制难度；
[0008] 5)多数驱动器自带半流自锁和全流自锁功能，即在电机静止时绕组上通过的工作 时的一半电流值或全部电流值使电机锁定而不发生转动，但当用户需要手动旋转电机时需 要使控制电路断电，操作不方便。
[0009] 由于上述技术问题，使得步进电机在精密测试设备应用领域中有一定的局限性， 很难同时保证大功率步进电机的驱动能力和运动精度，在测试设备的系统集成方面也很难 通过软件程控实现用户自己实际需求参数的修改，不便于系统集成下的自动控制。
【发明内容】
[0010] 为了解决技术背景中存在技术问题和局限性，本发明提出了一种可远程控制、控 制精度高、成本低并可实现手动控制的步进电机的控制装置及方法。
[0011] 本发明的具体技术方案是：
[0012] 一种步进电机的控制装置，其特征在于：包括计算机、单片机、控制信号光电隔离 电路、线性非稳压电源、输出电流控制电路、驱动电路、绕组电流采集电路、参考电压比较电 路、反馈信号光电隔离电路；
[0013] 计算机与单片机相互连接；单片机输出端经过控制信号光电隔离电路隔离后分别 与驱动电路的控制信号输入端以及输出电流控制电路的输入端连接；输出电流控制电路的 输出端与驱动电路的电流信号输入端连接；驱动电路的输出端分别与步进电机的输入端以 及绕组电流采集电路的输入端连接；绕组电流采集电路的输出端与参考电压比较电路的输 入端连接；参考电压比较电路的输出端经过反馈信号光电隔离电路隔离后与单片机连接；
[0014] 所述驱动电路上设置有线性非稳压电源。
[0015] 上述驱动电路采用双全桥M0SFET恒流斩波方式驱动步进电机；所述驱动电路最 高耐压为50VDC，单相最大输出电流为4. 5A，细分数可设置等级为1/2、1/8、1/16、1/32、 1/40和1/64,并且能够实现20%、40%、60%和80%的绕组电流衰减。
[0016] 上述控制信号光电隔离电路以及反馈信号光电隔离电路的响应时间均为45ns。
[0017] 基于上述控制装置，现提出该装置的的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0018] 1)参数设置：
[0019] 1. 1)计算机通过串口将步进电机需要设置的参数传输至单片机，单片机将接收到 的参数发回计算机实现握手并根据参数内容输出控制信号；单片机输出的控制信号经过控 制信号光电隔离电路隔离后送入驱动电路；所述控制信号包括细分、转动方向、绕组电流衰 减方式；
[0020] 1. 2)计算机通过串口将驱动输出电流值发送至单片机，单片机将接收到输出电流 值发回计算机实现握手并根据输出电流值查找存储在RAM中的电流值与参考电压对应表 后输出8bit数字电压信号；
[0021] 1. 3)单片机输出的8bit数字电压信号经过控制信号光电隔离电路隔离后送入输 出电流控制电路；
[0022] 1. 4)输出电流控制电路将接收到的8bit数字电压信号转换成对应的模拟电压值 并送入驱动电路；
[0023] 2)步进电机驱动：
[0024] 2. 1)当完成步骤1)后，计算机开始通过串口将步进电机需要转动的脉冲数发送 至单片机，单片机将收到的脉冲数发回至计算机实现握手并输出使能信号经过控制信号光 电隔离电路隔离后使驱动电路输出使能有效；
[0025] 2. 2)单片机运用自身定时器产生对应数量且准确度< IX 10_5、稳定度< IX 10_7 的方波脉冲，并经过控制信号光电隔离电路隔离后传输至驱动电路；
[0026] 2. 3)驱动电路根据步骤1. 2)接收到的控制信号和输出电流值对方波脉冲进行功 率放大进而驱动步进电机转动；所述驱动电路采用双全桥M0SFET恒流斩波方式驱动步进 电机；
[0027] 2.4)当驱动电路驱动步进电机转动时，绕组电流采集电路采集各相绕组串联的 电阻上的电压信号并传输至参考电压比较电路；参考电压比较电路将采集到的各相绕组电 压信号绝对值相加并与单片机参考零电位进行比较，若相等则参考电压比较电路输出低电 平经过反馈信号光电隔离电路反馈至单片机，若不相等则参考电压比较电路输出高电平 经过反馈信号光电隔离电路反馈至单片机；所述绕组电流采集电路各相绕组串联的电阻为 2W/0. 1 Ω的大功率低阻值电阻；
[0028] 2. 5)当单片机接收到持续高电平或低电平时，则认为步进电机运转不正常；当单 片机接收到交替的高、低电平时，则认为步进电机运转正常；
[0029] 3)结束驱动：
[0030] 当步进电机完成转动，单片机通过串口向计算机发送结束标志，驱动电路启动半 流自锁功能，使步进电机停止工作。
[0031] 上述步骤2. 5)步进电机的运转不正常为步进电机的丢步现象；具体处理如下：
[0032] 参考电压比较电路输出的高、低电平脉冲数经过反馈信号光电隔离电路隔离后反 馈至单片机，单片机根据高电平脉冲数与细分的倒数相乘计算出绕组实际通过的电流脉冲 数，用以判断步进电机是否发生丢步现象，若发生丢步，则单片机发送补偿脉冲实现步进电 机的补偿运动。
[0033] 上述步骤2. 5)步进电机的运转不正常为步进电机的堵转现象；具体如下：
[0034] 当单片机接收到来自参考电压比较电路输出信号常为高电平脉冲数时，单片机立 即控制使能失效使驱动电路停止输出驱动电流，电机停止转动，单片机通过串口向计算机 发送步进电机运转异常标志；所述异常标志说明电机堵转。
[0035] 上述方法中若用户需要手动转动步进电机时，计算机通过串口向单片机发送手动 控制指令，单片机控制驱动电路使能端失效，电机失去自锁功能，可手动转动。
[0036] 本发明的优点在于：
[0037] 1、本发明实现了大功率步进电机的直接驱动，避免小功率步进电机通过牺牲转速 来实现扭矩的局限性；
[0038] 2、本发明采用单片机产生高准确度的驱动脉冲，提高了步进电机转动的稳定性 和精度；
[0039] 3、本发明设置绕组电流采集电路通过采集绕组电流脉冲的方式进行反馈，实现了 运动补偿，避免了丢步现象；
[0040] 4、本发明通过计算机与单片机的通讯，实现对步进电机驱动参数（细分数、转动 方向、绕组电流、衰减方式）和运行参数（转动方向、转动脉冲数）的远程控制，避免了手动 操作或外部设置的不方便因素，有利于系统的集成控制；
[0041] 5、本发明中当步进电机运动完毕后，单片机会向计算机发送结束标志；当步进电 机出现堵转等异常时，单片机会向计算机发送异常标志，有利于系统的自动控制；
[0042] 6、本发明通过计算机可远程控制步进电机失电时实现手动操作，避免了外部切断 电源方法带来的不利因素。
【专利附图】
【附图说明】
[0043] 图1为本发明的结构简图。
[0044] 1-计算机、2-单片机、3-控制信号光电隔离电路、4-线性非稳压电、5-输出电流控 制电路、6-驱动电路、7-绕组电流采集电路、8-参考电压比较电路、9-反馈信号光电隔离电 路、10 _步进电机。
【具体实施方式】
[0045] 如图1所示，本发明包括计算机1、单片机2、控制信号光电隔离电路3、线性非稳压 电源4、输出电流控制电路5、驱动电路6、绕组电流采集电路7、参考电压比较电路8、反馈信 号光电隔离电路9 ;
[0046] 计算机1与单片机2相互连接；单片机2输出端经过控制信号光电隔离电路3隔 离后分别与驱动电路6的控制信号输入端以及输出电流控制电路5的输入端连接；输出电 流控制电路5的输出端与驱动电路6的电流信号输入端连接；驱动电路6的输出端分别与 步进电机10的输入端以及绕组电流采集电路7的输入端连接；绕组电流采集电路的输出端 7与参考电压比较电路8的输入端连接；参考电压比较电路8的输出端经过反馈信号光电 隔离电路9隔离后与单片机2连接；
[0047] 驱动电路6上设置有线性非稳压电源4。
[0048] 其中，驱动电路6采用双全桥M0SFET恒流斩波方式驱动步进电机；所述驱动电路 最高耐压为50VDC，单相最大输出电流为4. 5A，细分数可设置等级为1/2、1/8、1/16、1/32、 1/40和1/64,并且能够实现20 %、40 %、60 %和80 %的绕组电流衰减，可通过改变电流设定 端的参考电压值控制驱动电流，根据实际使用需要使步进电机绕组电流趋于平滑，使得转 动更加稳定；
[0049] 另外，该装置中控制信号光电隔离电路3以及反馈信号光电隔离电路9用于的响 应时间仅为45ns，远远小于驱动脉冲周期，不会影响驱动电路6的脉冲响应；
[0050] 控制信号光电隔离电路3以及反馈信号光电隔离电路9用于隔离单片机2避免单 片机2受到驱动电路6大电流的影响；
[0051] 由于驱动电路双全桥M0SFET恒流斩波方式驱动步进电机，输出功率大，因此采用 线性非稳压电源4 (最大输出电流8A)为驱动电路6供电；
[0052] 上述，是对本发明结构和重要部件功能的描述，下面对本发明的控制方法进行介 绍，具体步骤如下：
[0053] 步骤1)参数设置：
[0054] 步骤1. 1)计算机通过串口将步进电机需要设置的参数传输至单片机，单片机将 接收到的参数发回计算机实现握手并根据参数内容输出控制信号；
[0055] 其中，控制信号包括细分、转动方向、绕组电流衰减方式；
[0056] 步骤1. 2)单片机输出的控制信号经过控制信号光电隔离电路隔离后送入驱动电 路；
[0057] 步骤1. 3)计算机通过串口将驱动输出电流值发送至单片机，单片机将接收到输 出电流值发回计算机实现握手并根据输出电流值查找存储在RAM中的电流值与参考电压 对应表后输出8bit数字电压信号；
[0058] 步骤1.4)单片机输出的8bit数字电压信号经过控制信号光电隔离电路隔离后送 入输出电流控制电路；
[0059] 步骤1. 5)输出电流控制电路将接收到的8bit数字电压信号转换成对应的模拟电 压值并送入驱动电路；
[0060] 当完成步骤1)，即单片机接收到计算机发送的控制信号、输出电流值后开始驱动 步进电机；执行以下步骤：
[0061] 步骤2)步进电机驱动：
[0062] 步骤2. 1)当完成步骤1)后，计算机开始通过串口将步进电机需要转动的脉冲数 发送至单片机，单片机将收到的脉冲数发回至计算机实现握手并输出使能信号经过控制信 号光电隔离电路隔离后使驱动电路输出使能有效；
[0063] 步骤2.2)单片机运用自身定时器产生对应数量且准确度< 1X10'稳定度 < 1X 1〇_7的方波脉冲，并经过控制信号光电隔离电路隔离后传输至驱动电路；
[0064] 步骤2. 3)驱动电路根据步骤1. 2)接收到的控制信号和输出电流值对方波脉冲进 行功率放大进而驱动步进电机转动；所述驱动电路采用双全桥M0SFET恒流斩波方式驱动 步进电机；
[0065] 步骤2. 4)当驱动电路驱动步进电机转动时，绕组电流采集电路采集各相绕组串 联的电阻上的电压信号并传输至参考电压比较电路；参考电压比较电路将采集到的各相绕 组电压信号绝对值相加并与单片机参考零电位进行比较，若相等则参考电压比较电路输出 低电平经过反馈信号光电隔离电路反馈至单片机，若不相等则参考电压比较电路输出高电 平经过反馈信号光电隔离电路反馈至单片机；
[0066] 其中，绕组电流采集电路各相绕组串联的电阻为2W/0. 1 Ω的大功率低阻值电阻；
[0067] 该步骤中，由于步进电机的两相绕组的通电电流相差90°相位，且每个步距角按 照细分数从零电流逐步增大至最大电流值进行通电，只有在各相绕组交替时刻各相绕组 电压信号绝对值之和为零，因此，步进电机正常运转时，参考电压比较电路会输出高、低电 平交替的的脉冲信号；
[0068] 步骤2. 5)当单片机接收到持续高电平或低电平时，则认为步进电机运转不正常； 当单片机接收到交替的高、低电平时，则认为步进电机运转正常；
[0069] 步骤3)结束驱动：
[0070] 当步进电机完成转动，单片机通过串口向计算机发送结束标志，驱动电路启动半 流自锁功能，使步进电机停止工作。
[0071] 另外步骤2. 5中步进电机运转不正常分为两种情况下，分别是步进电机的丢步现 象以及步进电机的堵转现象
[0072] 当步骤2. 5)步进电机的运转不正常为步进电机的丢步现象；具体处理如下：
[0073] 参考电压比较电路输出的高、低电平脉冲数经过反馈信号光电隔离电路隔离后反 馈至单片机，单片机根据高电平脉冲数与细分的倒数相乘计算出绕组实际通过的电流脉冲 数，用以判断步进电机是否发生丢步现象，若发生丢步，则单片机发送补偿脉冲实现步进电 机的补偿运动。
[0074] 当步骤2. 5)步进电机的运转不正常为步进电机的堵转现象；具体如下：
[0075] 当单片机接收到来自参考电压比较电路输出信号常为高电平脉冲数时，单片机立 即控制使能失效使驱动电路停止输出驱动电流，电机停止转动，单片机通过串口向计算机 发送步进电机运转异常标志；所述异常标志说明电机堵转。
[0076] 使用本发明的控制装置，若步进电机失电用户需要手动转动步进电机时，计算机 通过串口向单片机发送手动控制指令，单片机控制驱动电路使能端失效，电机失去自锁功 能，可手动转动。
【权利要求】
1. 一种步进电机的控制装置，其特征在于：包括计算机、单片机、控制信号光电隔离电 路、线性非稳压电源、输出电流控制电路、驱动电路、绕组电流采集电路、参考电压比较电 路、反馈信号光电隔离电路； 计算机与单片机相互连接；单片机输出端经过控制信号光电隔离电路隔离后分别与驱 动电路的控制信号输入端以及输出电流控制电路的输入端连接；输出电流控制电路的输出 端与驱动电路的电流信号输入端连接；驱动电路的输出端分别与步进电机的输入端以及绕 组电流采集电路的输入端连接；绕组电流采集电路的输出端与参考电压比较电路的输入端 连接；参考电压比较电路的输出端经过反馈信号光电隔离电路隔离后与单片机连接； 所述驱动电路上设置有线性非稳压电源。
2. 根据权利要求1所述的步进电机的控制装置，其特征在于：所述驱动电路采用双全 桥MOSFET恒流斩波方式驱动步进电机；所述驱动电路最高耐压为50VDC，单相最大输出电 流为4· 5A，细分数可设置等级为1/2、1/8、1/16、1/32、1/40和1/64,并且能够实现20 %、 40 %、60 %和80 %的绕组电流衰减。
3. 根据权利要求2所述的步进电机的控制装置，其特征在于：所述控制信号光电隔离 电路以及反馈信号光电隔离电路的响应时间均为45ns。
4. 一种权利要求1-3任一权利要求所述的控制装置的控制方法，其特征在于，包括以 下步骤： 1) 参数设置： 1. 1)计算机通过串口将步进电机需要设置的参数传输至单片机，单片机将接收到的参 数发回计算机实现握手并根据参数内容输出控制信号；单片机输出的控制信号经过控制信 号光电隔离电路隔离后送入驱动电路；所述控制信号包括细分、转动方向、绕组电流衰减方 式； 1. 2)计算机通过串口将驱动输出电流值发送至单片机，单片机将接收到输出电流值发 回计算机实现握手并根据输出电流值查找存储在RAM中的电流值与参考电压对应表后输 出8bit数字电压信号； 1.3)单片机输出的8bit数字电压信号经过控制信号光电隔离电路隔离后送入输出电 流控制电路； 1. 4)输出电流控制电路将接收到的8bit数字电压信号转换成对应的模拟电压值并送 入驱动电路； 2) 步进电机驱动： 2. 1)当完成步骤1)后，计算机开始通过串口将步进电机需要转动的脉冲数发送至单 片机，单片机将收到的脉冲数发回至计算机实现握手并输出使能信号经过控制信号光电隔 离电路隔离后使驱动电路输出使能有效； 2. 2)单片机运用自身定时器产生对应数量且准确度< IX 10'稳定度< IX 1(Τ的方 波脉冲，并经过控制信号光电隔离电路隔离后传输至驱动电路； 2. 3)驱动电路根据步骤1. 2)接收到的控制信号和输出电流值对方波脉冲进行功率放 大进而驱动步进电机转动；所述驱动电路采用双全桥MOSFET恒流斩波方式驱动步进电机； 2. 4)当驱动电路驱动步进电机转动时，绕组电流采集电路采集各相绕组串联的电阻上 的电压信号并传输至参考电压比较电路；参考电压比较电路将采集到的各相绕组电压信号 绝对值相加并与单片机参考零电位进行比较，若相等则参考电压比较电路输出低电平经过 反馈信号光电隔离电路反馈至单片机，若不相等则参考电压比较电路输出高电平经过反馈 信号光电隔离电路反馈至单片机；所述各相绕组串联的电阻为2W/0. 1 Ω的大功率低阻值 电阻； 2. 5)当单片机接收到持续高电平或低电平时，则认为步进电机运转不正常；当单片机 接收到交替的高、低电平时，则认为步进电机运转正常； 3)结束驱动： 当步进电机完成转动，单片机通过串口向计算机发送结束标志，驱动电路启动半流自 锁功能，使步进电机停止工作。
5. 根据权利要求4所述的控制装置的控制方法，其特征在于，所述步骤2. 5)步进电机 的运转不正常为步进电机的丢步现象；具体处理如下： 参考电压比较电路输出的高、低电平脉冲数经过反馈信号光电隔离电路隔离后反馈至 单片机，单片机根据高电平脉冲数与细分的倒数相乘计算出绕组实际通过的电流脉冲数， 用以判断步进电机是否发生丢步现象，若发生丢步，则单片机发送补偿脉冲实现步进电机 的补偿运动。
6. 根据权利要求4所述的控制装置的控制方法，其特征在于，所述步骤2. 5)步进电机 的运转不正常为步进电机的堵转现象；具体处理如下： 当单片机接收到来自参考电压比较电路输出信号常为高电平脉冲数时，单片机立即控 制使能失效使驱动电路停止输出驱动电流，电机停止转动，单片机通过串口向计算机发送 步进电机运转异常标志；所述异常标志为电机堵转。
7. 根据权利要求4所述的控制装置的控制方法，其特征在于： 若用户需要手动转动步进电机时，计算机通过串口向单片机发送手动控制指令，单片 机控制驱动电路使能端失效，电机失去自锁功能，可手动转动。
【文档编号】H02P8/14GK104092418SQ201410264201
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】龙江波, 赵建科, 段亚轩, 昌明, 曹昆, 聂申 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所