CN101452286B

CN101452286B - 基于can总线的步进电机驱动装置

Info

Publication number: CN101452286B
Application number: CN2007101586496A
Authority: CN
Inventors: 贾凯; 张进东; 陈为廉; 郑春晖; 魏辉
Original assignee: Shenyang Siasun Robot and Automation Co Ltd
Current assignee: Shenyang Siasun Robot and Automation Co Ltd
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: CN101452286A

Abstract

本发明公开一种基于CAN总线的步进电机驱动装置。包括：中央处理单元，与CAN总线接口电路、LED指示电路、AD转换电路、键盘扫描电路相连；斩波恒流驱动电路，与中央处理器通讯，输出接步进电机的驱动控制电路；驱动控制电路，其输入与中央处理器通讯，并接收斩波恒流驱动电路输出信号，输出至两相步进电机；电流检测电路，接收驱动控制电路的输出信号，输出至斩波恒流驱动电路；输出端分别与中央处理器及驱动控制电路相连接。本发明不仅具有能实现输出转矩不随着转速升高而下降、分辨率高、应用范围广特点，还具有成本低、抗干扰能力强、可选资源丰富及良好的技术及竞争优势。

Description

基于CAN总线的步进电机驱动装置

技术领域

本发明涉及步进电机系统在数字控制系统中的应用技术，具体地说是一种基于CAN总线的步进电机驱动装置。

背景技术

随着步进电机系统在各种数字控制系统中的广泛应用，各种数字控制系统随步进电机性能和使用条件的要求也越来越高。这就要求不断研制出高性能高可靠性高集成化低价位的驱动器满足需求。众所周知，国内对这方面的研究一直很活跃，但是可供选用的高性能的步进动机驱动器却很少，而且国内的驱动器方面基本都存在着体积大、外形尺寸不规则、性能指标不稳定及远没有达到系列化等问题，这就给驱动器的选用和安装带来了极大的不便，国外虽然有通用的各种类型的步进电机驱动器，但大都存在价格昂贵，与我国的系统连接不匹配等问题。

步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用的步进电机驱动器。步进电机系统的性能，除与步进电机自身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的性能。步进电机在运行时，一般有以下问题：

步进电机的各相绕组都是开关工作，多数电机绕组都是连续的交流或直流，而步进电机的各相绕组都是脉冲式供电所以绕组电流不是连续的。

步进电机各相绕组都是绕在铁心上的线圈，所以都有较大的电感。绕组通电时，电流不能迅速上升至额定值，电流上升率受到限制，绕组断电时，应该电流截止的相不能立即截止。绕组导通和截止都会产生较大的反电势，而截止时反电势将对驱动级器件的安全产生有害的影响。

步进电机运转时在各相绕组中产生旋转电势，这些电势的大小和方向将对绕组电流产生很大的影响。由于旋转电势基本上与电机转速成正比，转速越高，电势越大，绕组电流越小，从而使电机输出转矩也随着转速升高而下降。

步进电机的固有分辨率不高，不能精密位移。以应用最广的8极50齿两相混合式步进电机为例，其步距角为0.9°/1.8°，需配合机械减速机构以达到所需要的脉冲当量精度，但是，机械系统的增加也同时带来了一个误差源。

步进电机在低频运行时的振荡及过冲问题，严重限制了步进电动机的应用范围。对这个问题的解决办法，除了改善负载特性及附加机械阻尼外，还可以在驱动电源方面加以改善，如引入电磁阻尼、采用细分驱动等办法来解决。

发明内容

本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种能实现输出转矩不随着转速升高而下降、分辨率高、应用范围广的基于CAN总线的步进电机驱动控制的装置，使外围电路简单，接口能力强、成本低、可选资源丰富。

本发明实现了上述目的的技术方案包括：中央处理单元，所述中央处理单元与CAN总线接口电路相连，用于接收上位机的控制信号和上传步进电机的转角信息；与LED指示电路相连，用于指示步进电机的运行状态；与AD转换电路相连，用于检测步进电机的转动角度，以便控制器实现位置闭环；与键盘扫描电路相连，用于设置步进电机的细分数和相绕组的最大电流值；

斩波恒流驱动电路，与中央处理器通讯，输出接步进电机的驱动控制电路；

驱动控制电路，其输入与中央处理器通讯，并接收斩波恒流驱动电路输出信号，输出至两相步进电机；

电流检测电路，接收驱动控制电路的输出信号，输出至斩波恒流驱动电路。

所述斩波恒流驱动电路由D/A转换器，第一比较器、第二比较器，第一D触发器、第二D触发器组成，其中：D/A转换器接收来自中央处理单元的控制信号和数据，D/A转换器将电压信号输出给第一比较器、第二比较器的正向输入端，第一比较器、第二比较器的负向输入端接收电流检测电路检测到的电压信号，第一比较器、第二比较器的输出端接第一D触发器、第二D触发器的CD端，第一D触发器、第二D触发器的CLK端还接收中央处理单元输出的方波信号，第一D触发器、第二D触发器的输出端Q接至驱动控制电路的使能端，实现恒流、斩波功能。

所述电流检测电路包括采样电阻，由第40电阻和第40电容构成的低通滤波电路和由第41～42电阻和运算放大电路构成的放大电路，其输入端通过采样电阻与驱动控制电路的相连，将电枢电流信号转化成电压信号，以获得步进电机的电枢电流，采样电阻上的电压信号经所述低通滤波电路，输出频率与步进电机转速相对应、相位与步进电机相绕组的相位相对应、幅值与步进电机线绕组电流成正比的信号，经放大电路输出给斩波恒流驱动电路；

所述驱动控制电路由第一～二三输入与门、双H桥驱动器、第一、二、三、四反向器组成，其中第一～二三输入与门接收中央处理器和斩波恒流驱动电路的输出信号，输出接至双H桥驱动器；第一、二、三、四反向器接收中央处理器的方向控制信号，输出接至双H桥驱动器；双H桥驱动器的输出端连接到步进电机的相绕组上；

所述CAN总线通讯电路由第一～二光电耦合器、CAN收发器、DC/DC隔离电源组成，第一光电耦合器的输入端与中央处理器的TD1端相连，输出给CAN收发器；第二光电耦合器的输入端与CAN收发器相连，输出给中央处理器的RD1端；CAN收发器的CANH、CANL经接口X2与CAN总线相连；所述DC/DC隔离电源为CAN总线提供电源，以实现CAN总线与系统的电源的隔离。

本发明还包括电源部分，它的输入端与直流电压12V～40V相连，经过电压转换后输出5V电压。

采用以上方案的有益效果：

1、避免了步进电机工作时的共振点。步进电动机由其自身原因，导致其电器机械特性在某个频率下，会产生丢步或跳步现象。采用细分驱动控制电路后，改善了电器特性，消除了共振点，解决了低频振荡问题。细分后，驱动电流的变化幅度减小，故转子达到平衡位置时的过剩能量也减少。另一方面，控制信号的频率提高了N倍(细分数)，可远离转子的低频谐振频率。

2、低频、低转速工作稳定，转矩增大，噪声降低。由于采用了细分驱动控制电路，在低速工作时电机的加速力矩明显减小，因为工作力矩＝(输出力矩一加速力矩)，输出力矩为步进电机静止时可产生的最大力矩，它的值一般大于工作输出力矩。由于加速力矩的减小，可以使输出工作力矩增加，所以细分后电机变得有劲，带负载能力提高，尤其在启动和低速状态。由于加速度的减小，步进电动机低速运行噪声也大大减小，改善了工作环境。

3、在不改变电机内部参数的情况下，减小步距角、减小步进误差，即提高了分辨率和步距精度。

4、应用范围广。本发明不仅可以应用于两相步进电机的控制，还适用于直流有刷电机的控制。

附图说明

图1、本发明电源部分结构框示意图。

图2、本发明实施例整体结构方框图示意图。

图3、本发明图2的中央处理器ARM7部分电路原理示意图。

图4、本发明图2的斩波恒流驱动电路部分结构原理示意图。

图5、本发明图2中电流采样电路原理示意图。

图6、本发明图2中驱动控制部分电路原理示意图。

图7、本发明图2中CAN通讯总线接口电路部分电路原理示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本使用新型作进一步详细的描述。

如图1所示，基于CAN总线的步进电机驱动装置的电源部分，包括滤波电路10-1、电压转换模块10-2、稳压电路A 10-3和稳压电路B 10-4。输入电源经滤波电路10-1滤波后输入给电压转换模块10-2，该电压转换模块输出5V的直流电压用于对电路的有源器件供电；该5V的直流电压再经过稳压电路A 10-3和稳压电路B 10-4分别输出3.3V、1.8V电压供给中央处理器1。该电压转换模块10-2的输入电压最高可达40V，这样就可以使该驱动装置用于不同电压等级的步进电机。如图2所示，本例中的基于CAN总线的步进电机驱动装置包括中央处理单元1、斩波恒流驱动电路2、驱动控制电路3、电流检测电路4、CAN总线接口电路5、LED指示电路6、AD转换电路7、键盘扫描电路8，所述斩波恒流驱动电路2的输入与中央处理器1和电枢电流检测电路4相连，输出与步进电机的驱动控制电路3相连。驱动控制电路3的输出端至两相步进电机，电流检测电路4的输入端接收驱动控制电路3的信号。与中央处理单元1相连的CAN总线接口电路5用于接收上位机的控制信号和上传步进电机的转角信息，LED指示电路6用于指示步进电机的运行状态，AD转换电路7用于检测步进电机的转动角度，以便控制器实现位置闭环；键盘扫描电路8用于设置步进电机的细分数和相绕组的最大电流值。

如图3所示，中央处理单元1采用32/16位ARM7TDMI-S微控制器U1，主要负责处理控制步进电机的时序和与上位机进行通信。该微处理器的功耗极低，带有4路10位的ADC，2路CAN控制器，2个32位定时器，PWM单元等外设，满足对步进电机的控制要求，并可提供CAN总线接口。

如图4所示，所述斩波恒流驱动电路2的输入端与中央处理单元1、电流检测电路4相连，输出端与驱动控制电路3的输入端相连。所述斩波恒流驱动电路2由D/A转换器U10，第一比较器U11A、第二比较器U11B，第一D触发器U12A、第二D触发器U12B组成，其中：D/A转换器U10接收来自中央处理单元1的控制信号和数据，D/A转换器U10将电压信号输出给第一比较器U11A、第二比较器U11B的正向输入端，第一比较器U11A、第二比较器U11B的负向输入端接收电流检测电路4检测到的电压信号，第一比较器U11A、第二比较器U11B的输出端接第一D触发器U12A、第二D触发器U12B的CD端，第一D触发器U12A、第二D触发器U12B的CLK端还接收中央处理单元1输出的方波信号，第一D触发器U12A、第二D触发器U12B的输出端Q接至驱动控制电路3的使能端，实现恒流、斩波功能。

如图5所示，所述电流检测电路4包括采样电阻RS2，由第40电阻R40和第40电容C40构成的低通滤波电路和由第41～42电阻R41、R42和运算放大电路U16A构成的放大电路，其输入端通过采样电阻与驱动控制电路3的相连，将电枢电流信号转化成电压信号，以获得步进电机的电枢电流，采样电阻RS2上的电压信号经所述低通滤波电路，输出频率与步进电机转速相对应、相位与步进电机相绕组的相位相对应、幅值与步进电机线绕组电流成正比的信号，经放大电路输出给斩波恒流驱动电路2。

如图6所示，所述驱动控制电路3由第一～二三输入与门U14B～U14C、双H桥驱动器U13、第一、二、三、四反向器U15A、U15D、U15E、U15F组成，其中第一～二三输入与门U14B～U14C接收中央处理器1和斩波恒流驱动电路2的输出信号，输出接至双H桥驱动器U13；第一、二、三、四反向器U15A、U15D、U15E、U15F接收中央处理器1的方向控制信号，输出接至双H桥驱动器U13；双H桥驱动器U13的输出端连接到步进电机的相绕组上。

如图7所示，所述CAN总线通讯电路5由第一～二光电耦合器U5～U6、CAN收发器U7、DC/DC隔离电源U8组成，第一光电耦合器U5的输入端与中央处理器1的TD1端相连，输出给CAN收发器U7；第二光电耦合器U6的输入端与CAN收发器U7相连，输出给中央处理器1的RD1端；CAN收发器U7的CANH、CANL经接口X2与CAN总线相连；所述DC/DC隔离电源U8为CAN总线提供电源，以实现CAN总线与系统的电源的隔离。

本发明成本低，抗干扰能力强，可选资源丰富，具有良好的技术及竞争优势。

Claims

1.一种基于CAN总线的步进电机驱动装置，其特征在于包括：

中央处理单元(1)，所述中央处理单元(1)与CAN总线接口电路(5)相连，用于接收上位机的控制信号和上传步进电机的转角信息；与LED指示电路(6)相连，用于指示步进电机的运行状态；与AD转换电路(7)相连，用于检测步进电机的转动角度，以便控制器实现位置闭环；与键盘扫描电路(8)相连，用于设置步进电机的细分数和相绕组的最大电流值；

斩波恒流驱动电路(2)，与中央处理单元(1)通讯，输出接步进电机的驱动控制电路(3)；

驱动控制电路(3)，其输入与中央处理单元(1)通讯，并接收斩波恒流驱动电路(2)输出信号，输出至两相步进电机；

电流检测电路(4)，接收驱动控制电路(3)的输出信号，输出至斩波恒流驱动电路(2)；

所述驱动控制电路(3)由第一～二三输入与门(U14B～U14C)、双H桥驱动器(U13)、第一、二、三、四反向器(U15A、U15D、U15E、U15F)组成，其中第一～二三输入与门(U14B～U14C)接收中央处理器单元(1)和斩波恒流驱动电路(2)的输出信号，输出接至双H桥驱动器(U13)；第一、二、三、四反向器(U15A、U15D、U15E、U15F)接收中央处理单元(1)的方向控制信号，输出接至双H桥驱动器(U13)；双H桥驱动器(U13)的输出端连接到步进电机的相绕组上。

2.如权利要求1所述基于CAN总线的步进电机驱动装置，其特征是：所述斩波恒流驱动电路(2)由D/A转换器(U10)，第一比较器(U11A)、第二比较器(U11B)，第一D触发器(U12A)、第二D触发器(U12B)组成，其中：D/A转换器(U10)接收来自中央处理单元(1)的控制信号和数据，D/A转换器(U10)将电压信号输出给第一比较器(U11A)、第二比较器(U11B)的正向输入端，第一比较器(U11A)、第二比较器(U11B)的负向输入端接收电流检测电路(4)检测到的电压信号，第一比较器(U11A)的输出端接第一D触发器(U12A)的CD端，第二比较器(U11B)的输出端接第二D触发器(U12B)的CD端，第一D触发器(U12A)、第二D触发器(U12B)的CLK端还接收中央处理单元(1)输出的方波信号，第一D触发器(U12A)、第二D触发器(U12B)的输出端Q接至驱动控制电路(3)的使能端，实现恒流、斩波功能。

3.如权利要求1所述基于CAN总线的步进电机驱动装置，其特征是：所述电流检测电路(4)包括采样电阻(RS2)，由第40电阻(R40)和第40电容(C40)构成的低通滤波电路和由第41～42电阻(R41～R42)和运算放大电路(U16A)构成的放大电路，其输入端通过采样电阻与驱动控制电路(3)的相连，将电枢电流信号转化成电压信号，以获得步进电机的电枢电流，采样电阻(RS2)上的电压信号经所述低通滤波电路，输出频率与步进电机转速相对应、相位与步进电机相绕组的相位相对应、幅值与步进电机线绕组电流成正比的信号，经放大电路输出给斩波恒流驱动电路(2)。

4.如权利要求1所述的基于CAN总线的步进电机驱动装置，其特征是：所述CAN总线接口电路(5)由第一～二光电耦合器(U5～U6)、CAN收发器(U7)、DC/DC隔离电源(U8)组成，第一光电耦合器(U5)的输入端与中央处理单元(1)的TD1端相连，输出给CAN收发器(U7)；第二光电耦合器(U6)的输入端与CAN收发器(U7)相连，输出给中央处理单元(1)的RD1端；CAN收发器(U7)的CANH、CANL经接口(X2)与CAN总线相连；所述DC/DC隔离电源(U8)为CAN总线提供电源，以实现CAN总线与系统的电源的隔离。

5.如权利要求1所述基于CAN总线的步进电机驱动装置，其特征是：所述中央处理单元(1)采用32/16位ARM7TDMI-S微控制器。

6.如权利要求1或2所述基于CAN总线的步进电机驱动装置，其特征是：还包括电源部分，它的输入端与直流电压12V～40V相连，经过电压转换后输出5V电压。