CN101594111A - 步进电机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子技术领域，涉及一种工业缝纫机上的混合式四相六线步涉及一种步进电机控制器。它解决了现有的步进电机控制器控制步进电机运行时步进电机丢步、失控等问题。本步进电机控制器，包括一控制器以及与其相连接的步进电机的驱动电路，控制器包括CPLD，所述的CPLD内部分别设置有用于对相应于正反转向的输入脉冲进行计数的计数器、用于提供细分的时间常数的定时器、用于实现CPLD的I/O口的模拟量输出的DAC以及用于避免驱动电路中上下桥的同时开启而造成电路短路死区控制器，所述的CPLD信号输入端与外部单片机相连接，输出端与驱动电路相连接。本步进电机控制器具有能使步进电机运行时不丢步、不失控等优点。

Description

步进电机控制器

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种步进电机控制器，特别是一种工业缝纫机上的混合式四相六线步涉及一种步进电机控制器。

背景技术

在现有技术中，工业缝纫机广泛地使用步进电机，特别是混合式四相六线步进电机，作为X、Y方向的动力源。在步进电机驱动控制中，一般是采用单片机配合专用的步进电机驱动控制器来实现，这存在成本较高、各个环节搭配不便等问题。因而一般的工业缝纫机控制系统中，采用单片机外加驱动元件的方案，为了提高工业缝纫机的运行精度，需要对步进电机进行细分，因此控制步进电机需要严格的时序关系。但是工业缝纫机控制系统本身是一个高速复杂的系统，需要处理大量的其它任务，因此如把步进电机控制集成到单片机中进行处理，不仅增加了单片机的运算负担，占用了大量单片机资源，而且经常造成步进电机运行失控。

CPLD为Complex Programmable Logic Device的简称，为复杂可编程逻辑器件，属于大规模集成电路范围，是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。CPLD器件具有速度快、功耗低、保密性好、程序设计灵活、抗干扰能力强、与外围电路接口方便等特点。CPLD把接收到的数据转换成步进电机实际的控制信号(运转方向、运转速度等)输出给电机的驱动电路。这样的好处是外部单片机与CPLD各行其是。外部单片机可以专注于其它复杂的数据处理，不必占用过多的CPU资源去直接控制电机，也减小了由此引入干扰的可能性；CPLD只需把外部单片机传送过来的信息转换成电机的控制信号。这样就发挥了单片机和CPLD两者的优点。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术所存在的上述问题，而提供一种能够克服现有缝纫机系统中步进电机运行时的丢步、失控等现象步进电机控制器。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种步进电机控制器，包括一控制器以及与其相连接的步进电机的驱动电路，其特征在于，所述的控制器包括CPLD，所述的CPLD内部分别设置有用于对相应于正反转向的输入脉冲进行计数的计数器、用于提供细分的时间常数的定时器、用于实现CPLD的I/O口的模拟量输出的DAC以及用于避免驱动电路中上下桥的同时开启而造成电路短路死区控制器，所述的CPLD信号输入端与外部单片机相连接，输出端与驱动电路相连接。

在上述的步进电机控制器中，所述的驱动电路为恒流斩波驱动电路，所述恒流斩波驱动电路包括斩波脉宽调制器，及多个独立电路，所述斩波脉宽调制器形成斩波控制，所述多个独立电路的功放电路最终接入步进电机每相绕组中。

在上述的步进电机控制器中，所述的斩波脉宽调制器由电流检测和控制电路所组成，包括由运算放大器构成的施密特电路作电压比较器及脉宽调制电路，所述电压比较器在脉宽调制芯片UPC494内部，分别输入表示绕组电流的取样电压和表示设定电流值的预设电压，所述电流值的预设电压可由CPLD进行设定，可实现步进电机的零电流、半电流、全电流设定，同时能够使步进电机处在不同的工作状态，所述脉宽调制电路在脉宽调制芯片UPC494内部，形成高频的PWM波形。

在上述的步进电机控制器中，所述的CPLD的输入端连接有从外部单片机的输入信号A、B、C、D作为四位一个字节的并行数据总线以及EN、ACK作为通信控制信号输入端，所述的CPLD根据输入数据信号输出相应的工作状态。

这里外部单片机发送3个字节的数据(前两个字节数据包括速度、方向控制、控制使能、半流\全流信息，和校验字节)，当CPLD检测到EN从高到低的跳变表示传进数据开始，每个字节的有效数据出现在CPLD时钟的上升沿，ACK为CPLD的应答信号，当CPLD接收完数据后进行和校验，如果不对则把ACK拉高，通知外部单片机重新开始送数据，当CPLD接收到正确的数据后就把它转换成步进电机的物理运动，直到接收到新的控制数据。

在上述的步进电机控制器中，所述的定时器先判断是否到定时时间，若到定时时间，则从预先设定的脉冲环形分配表和八细分函数表中读取数据，再根据读取的数据，输出相应的工作状态。

在上述的步进电机控制器中，所述的步进电机是四相混合式步进电机，引出线为四相六线。

在上述的步进电机控制器中，所述的恒流斩波驱动电路中二极管D5、D6，稳压二级管D7、D8、D9，三极管Q9、Q10，组成续流电路。

在上述的步进电机控制器中，所述的恒流斩波驱动电路中U3的15脚接电阻R4，其16脚接电阻R3，电阻R3、R4并联接到三极管Q1。

在上述的步进电机控制器中，所述的CPLD中的U1的37脚接电阻R40和电阻R39，电阻R39接到电容C12和比较器U12A的正输入端，比较器U12A的负输入端和其输出端相连。

在上述的步进电机控制器中，所述的CPLD中的U1的39脚接反相器U13A的输入端，反相器U13A的输出端接电阻R42和三极管Q8。

与现有技术相比，本步进电机控制器的优点在于输入的数据经控制器处理后，对混合式四相六线步进电机，形成八细分恒流斩波控制，使步进电机的转动平滑，驱动力矩大，保证步进电机不丢步、不失控，降低步进电机在待机状态的能耗，同时克服现有缝纫机系统中步进电机运行时的丢步，失控等现象，由于本发明实行模块化设计，直接降低了缝纫机整个系统设计的难度。

附图说明

图1是本步进电机控制器的电路原理图。

图2是本步进电机控制器中的主控流程图。

图3是本步进电机控制器的中断、服务流程图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本步进电机控制器包括CPLD控制器以及与其相连接的步进电机的驱动电路，在CPLD内部分别设置有用于对相应于正反转向的输入脉冲进行计数的计数器、用于提供细分的时间常数的定时器、用于实现CPLD的I/O口的模拟量输出的delta-sigma DAC以及用于避免驱动电路中上下桥的同时开启而造成电路短路死区控制器，所述的CPLD信号输入端与外部单片机相连接，输出端与驱动电路相连接，CPLD的输入端从外部单片机的输入信号A、B、C、D作为四位一个字节的并行数据总线以及EN、ACK作为通信控制信号，所述的CPLD根据输入数据信号输出相应的工作状态。

这里驱动电路为恒流斩波驱动电路，恒流斩波驱动电路包括斩波脉宽调制器，及多个独立电路，所述斩波脉宽调制器形成斩波控制，斩波脉宽调制器由电流检测和控制电路所组成，包括由运算放大器构成的施密特电路作电压比较器、及脉宽调制电路，所述电压比较器在脉宽调制芯片UPC494内部，分别输入表示绕组电流的取样电压和表示设定电流值的预设电压，所述电流值的预设电压可由CPLD进行设定，可实现步进电机的零电流、半电流、全电流设定，同时能够使步进电机处在不同的工作状态，所述脉宽调制电路在脉宽调制芯片UPC494内部，形成高频的PWM波形，另外多个独立电路的功放电路最终接入步进电机每相绕组中。

另外定时器先判断是否到定时时间，若到定时时间，则从预先设定的脉冲环形分配表和八细分函数表中读取数据，再根据读取的数据，输出相应的工作状态，在本实施例中步进电机是四相混合式步进电机，且引出线为四相六线。

在关键的具体电路中其中恒流斩波驱动电路包括功放电路、控制电路的电流检测和控制电路，功放电路由上桥MOS管Q4、步进电机绕组LA、下桥MOS管Q1和电流取样电阻R7组成，其中D5、D6、D7、D8、D9、Q9以及Q10，组成续流电路，恒流斩波驱动电路中U3的15脚接R4，其16脚接R3，R3、R4并联接到Q1，所述的CPLD中的U1的37脚接电阻R40和R39，R39接到C12和U12A的第3脚，U12A的第1脚、第2脚相连，所述的U1的39脚接U13A的第1脚，U13A的第2脚接电阻R42和Q8。

具体的工作过程如下：

U8A、U9A、Q7及外围分立元件组成的电路可控制步进电机处在零电流、半电流、全电流状态。当U8A同相输入端电压设定为0时，使得U5的2脚反向输入端电压为0，这样U5的8、11脚输出高电平，U7第7脚输出低电平，关闭Q4管。当U8A同相输入电压设定为U(0~5V)，如U9A的第1脚输入为高电平，Q7关闭，此时U5的2脚反向输入端电压为W，此时可控制步进电机处在全流状态；如U9A的第1脚输入为低电平，Q7开启，此时U5的2脚反向输入端电压为W/2，此时可控制步进电机处在半流状态。

下面说明步进电机的运转机理：

U2A、U2B、U2C、U2D、U3、U4、Q1、Q2、Q3、Q5及外围分立元件组成的电路用于驱动电机运转，步进电机的A、B、C、D四相采用双四拍控制，正转时的通电顺序是：AC---BC---BD---AD---AC，反转时的通电顺序是：AC---AD---BD---BC---AC。

现在阐述CPLD控制器的工作过程：

外部单片机的输入信号A、B、C、D作为四位的并行数据总线，即作为一个字节输入CPLD，EN、ACK作为通信控制信号，CPLD根据输入数据输出相应的工作状态，外部单片机发送3个字节的数据(前两个字节数据包括速度、方向控制、控制使能、半流\全流信息，和校验字节)，当CPLD检测到EN从高到低的跳变表示传进数据开始，每个字节的有效数据出现在CPLD时钟的上升沿，ACK为CPLD的应答信号，当CPLD接收完数据后进行和校验，如果不对则把ACK拉高，通知外部单片机重新开始送数。CPLD接收到正确的数据后就把它转换成步进电机的物理运动，直到接收到新的控制信息。

CPLD的工作流程见图2和图3。

如图2表示CPLD的主工作流程，图3表示其定时模块工作流程，在图2中，在CPLD中可实现数据处理的并行执行，因此如接收到的数据同时有4种类型，则4种数据类型可同时执行。首先上电初始化，然后再判断是否接收到正确的新数据，若有新数据则判断新数据的数据类型，如果数据为真，则输出使能信号，使步进电机上电，如果数据为假，则输出禁止信号，使步进电机掉电。另外当判断是否接收到速度新数据，如果计数方向标志等于1，则计数值向上计数，并将计数值输入定时模块，如果计数方向标志不等于1，计数值像下计数，同时也将计数值输入定时模块；另外判断是否有新的方向数据，有则方向为正，为正后计数方向标志等于1，否则计数方向标志等于0，当判断是否有新的半流/全流数据，如果半流/全流数据为真，则输出全流信号，使步进电机处于全流状态，如果为否，则输出半流信号，使步进电机处于半流状态。

如图3所示，先判断是否到定时时间，若没到定时时间继续等待，若到定时时间，则根据预先设定的输入参数的双四拍脉冲环形分配表和八细分函数表中读取数据，再把读取的数据值输入到delta-sigma DAC，再进入死区控制，输出相应的工作状态值。

这样经过以上的处理后，输出的数据可实现步进电机运行的八细分运转，达到缝纫机的精度要求。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种步进电机控制器，包括一控制器以及与其相连接的步进电机的驱动电路，其特征在于，所述的控制器包括CPLD，所述的CPLD内部分别设置有用于对相应于正反转向的输入脉冲进行计数的计数器、用于提供细分的时间常数的定时器、用于实现CPLD的I/O口的模拟量输出的DAC以及用于避免驱动电路中上下桥的同时开启而造成电路短路死区控制器，所述的CPLD信号输入端与外部单片机相连接，输出端与驱动电路相连接。

2.根据权利要求1所述的步进电机控制器，其特征在于，所述的驱动电路为恒流斩波驱动电路，所述恒流斩波驱动电路包括斩波脉宽调制器，及多个独立电路，所述斩波脉宽调制器形成斩波控制，所述多个独立电路的功放电路最终接入步进电机每相绕组中。

3.根据权利要求2所述的步进电机控制器，其特征在于，所述的斩波脉宽调制器由电流检测和控制电路所组成，包括由运算放大器构成的施密特电路作电压比较器及脉宽调制电路，所述电压比较器在脉宽调制芯片UPC494内部，分别输入表示绕组电流的取样电压和表示设定电流值的预设电压，所述电流值的预设电压可由CPLD进行设定，可实现步进电机的零电流、半电流、全电流设定，同时能够使步进电机处在不同的工作状态，所述脉宽调制电路在脉宽调制芯片UPC494内部，形成高频的PWM波形。

4.根据权利要求1所述的步进电机控制器，其特征在于，所述的CPLD的输入端连接有从外部单片机的输入信号A、B、C、D作为四位一个字节的并行数据总线以及EN、ACK作为通信控制信号输入端，所述的CPLD根据输入数据信号输出相应的工作状态。

5.根据权利要求1所述的步进电机控制器，其特征在于，所述的定时器先判断是否到定时时间，若到定时时间，则从预先设定的脉冲环形分配表和八细分函数表中读取数据，再根据读取的数据，输出相应的工作状态。

6.根据权利要求1所述的步进电机控制器，其特征在于，所述的步进电机是四相混合式步进电机，引出线为四相六线。

7.根据权利要求2所述的步进电机控制器，其特征在于，所述的恒流斩波驱动电路中二极管D5、D6，稳压二级管D7、D8、D9，三极管Q9、Q10，组成续流电路。

8.根据权利要求2所述的步进电机控制器，其特征在于，所述的恒流斩波驱动电路中U3的15脚接电阻R4，其16脚接电阻R3，电阻R3、R4并联接到三极管Q1。

9.根据权利要求1或2所述的步进电机控制器，其特征在于，所述的CPLD中的U1的37脚接电阻R40和电阻R39，电阻R39接到电容C12和比较器U12A的正输入端，比较器U12A的负输入端和其输出端相连。

10.根据权利要求1或2所述的步进电机控制器，其特征在于，所述的CPLD中的U1的39脚接反相器U13A的输入端，反相器U13A的输出端接电阻R42和三极管Q8。

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