CN101964622A - 步进电机驱动控制器 - Google Patents

Abstract

一种步进电机驱动控制器，其构成包括步进电机控制电路和步进电机驱动电路并集成在一块电路板上；步进电机控制电路由可编程CPU芯片及其典型外围工作电路、通信口扩展芯片和通信接口组成，可编程CPU芯片通过通信口扩展芯片扩展出与上位机的通信接口，可编程CPU芯片固化有工作软件和标识号或地址号；步进电机驱动电路由步进电机驱动芯片及其典型外围工作电路和步进电机接口组成，步进电机驱动芯片的使能、脉冲和方向的引脚与可编程CPU芯片的I/O口相连；步进电机接口由步进电机驱动芯片直接引出。本发明智能可编程，具有结构简单、成本低、操作方便、大大减轻上位机的工作负载、容易实现多台步进电机的控制和远程控制的特点。

Description

步进电机驱动控制器 

技术领域

本发明涉及步进电机，特别是一种步进电机驱动控制器，该驱动控制器主要用于一些有智能精密控制要求的场合，如精密仪器、工业控制系统等领域。还广泛应用于喷涂设备、医疗仪器及设备等。完成步进电机转速、方向和步数的调整和控制。 

背景技术

对于步进电机的控制和驱动，目前大多采用单片机结合步进电机专用芯片进行控制，类似于《单片机8051务实与应用》p207的结构，(《单片机8051务实与应用》，杨忠煌等编著，中国水利水电出版社，2001年6月)；或采用计算机外扩接口卡与步进电机驱动模块连接方法进行控制，如专利94223287.9，200810121354.6，200820081417.5等。采用的方法都是将驱动器和控制器(单片机或计算机接口卡)分开，控制器提供控制逻辑如方向信号(“0”或“1”)、脉冲信号给驱动器，驱动器将逻辑信号进行逻辑分配和电流放大后输出给步进电机。 

上述在先技术的缺点是： 

1、总体控制结构复杂，成本高。《单片机8051务实与应用》中采用上位机1(这里是单片机)控制，如图1所示，通过其I/O口连接步进电机驱动器2驱动步进电机3运转，操作时还要额外配备键盘电路4和键盘或按钮5，甚至显示电路6和显示屏7，对单片机1而言这些额外配备是较困难且复杂的。专利94223287.9，200810121354.6，200820081417.5则由上位机1(这里是计算机)通过其扩展I/O接口卡8，如图2所示，连接步进电机驱动器2驱动步进电机3运转，结构复杂，成本高。 

2、上位机工作负载大。上述在先技术中每产生一个脉冲信号或方向变化都需要花费上位机1(单片机或计算机)的时间，上位机1需要花费大量的时间通过其I/O口或扩展I/O接口卡8产生方向信号、脉冲信 号等控制逻辑信号，上位机工作负载很大。 

3、难以实现多台步进电机或远程步进电机控制。一方面对多电机的控制，单片机或计算机扩展接口卡的软件结构复杂，另一方面，由于信号的衰减，单片机或计算机扩展接口卡对步进电机远程控制是难以实现的。 

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述在先控制技术的缺点，提供一种步进电机驱动控制器，该步进电机驱动控制器智能可编程，具有结构简单、成本低、大大减轻上位机的工作负载，能实现多台步进电机控制和远程控制的特点。 

本发明的技术解决方案如下： 

一种用于步进电机的转速、方向和步数调整和控制的步进电机驱动控制器，特点在于其构成包括步进电机控制电路和步进电机驱动电路并集成在一块电路板上； 

所述的步进电机控制电路由可编程CPU芯片及其典型外围工作电路、通信口扩展芯片和通信接口组成，所述的可编程CPU芯片通过所述的通信口扩展芯片扩展出与上位机的通信接口，所述的可编程CPU芯片固化有工作软件和标识号或地址号； 

所述的步进电机驱动电路由步进电机驱动芯片及其典型外围工作电路和步进电机接口组成，所述的步进电机驱动芯片的使能、脉冲和方向的引脚与所述的可编程CPU芯片的I/O口相连；所述的步进电机接口由步进电机驱动芯片直接引出。 

所述的可编程CPU芯片是8051单片机或其他微处理器。 

所述的可编程CPU芯片具有所属步进电机驱动控制器唯一的标识号或地址号。 

所述的通信口扩展芯片根据通信接口选取：当通信接口为RS232接口时，通信口扩展芯片选取MAX3232或类似功能的芯片；当通信接口 为RS485接口时，通信口扩展芯片选取MAX485或类似功能的芯片；当通信接口为CAN接口时，通信口扩展芯片选取PCA82C250或类似功能的芯片。 

所述的通信接口是RS232接口、RS485接口或CAN接口。 

所述的步进电机驱动芯片是A3977芯片或其他步进电机驱动芯片。 

所述的通信接口经一个接口转换器与所述的上位机相连。 

述的可编程CPU芯片典型外围工作电路可参照可编程CPU芯片的使用文档设计。 

所述的步进电机驱动芯片典型外围工作电路可参照步进电机驱动芯片的使用文档设计。 

本发明的技术特点： 

1、本发明步进电机驱动控制器包含了一个与上位机通信的通信接口和一个步进电机接口，接口简单。 

2、本发明步进电机驱动控制器的工作特点：所述的步进电机驱动控制器通过通信接口接受上位机的命令包，对命令包解析后形成控制逻辑，经其内部步进电机驱动电路的步进电机接口输出给步进电机。 

3、所述的步进电机驱动控制器中包含了一套软件，该软件的功能是：实现接受上位机的命令包、对命令包的识别和解析、形成控制逻辑等功能。所述的命令包由校验字节、标识号数据、方向数据、步数数据组成。 

本发明具有下列技术效果： 

1、总体控制结构简单，成本低。一方面步进电机驱动控制器通过通信接口向上可与上位机相连，向下由步进电机接口直接与步进电机相连，总体结构简单。另一方面步进电机驱动控制器内部的可编程CPU芯片、步进电机驱动芯片以及其他电子元件都较常见且成本低。 

2、极大减轻了上位机工作负载。上位机只需将包含有步进电机的速度、方向和步数的通信命令包发送给步进电机驱动控制器，就可以实现电机的控制，而具体的逻辑控制都由步进电机驱动控制器内部完成，上位机的工作负载极大地减轻了。 

2、多台步进电机的控制或远程控制变得简单。只要将步进电机驱动控制器中的通信接口设计成RS485接口或CAN接口，而上位机通过接口转换器将接口转换为RS485接口或CAN接口，就可以实现多台步进电机的控制，且远程控制距离可达1200米(RS485接口)及以上(CAN口)。 

总之，本发明智能可编程，具有结构简单、成本低、操作方便、大大减轻上位机的工作负载、容易实现多台步进电机的控制和远程控制的特点。 

附图说明

图1是在先技术《单片机8051务实与应用》中采用的步进电机控制结构示意图 

图2在先技术专利94223287.9，200810121354.6，200820081417.5中采用的步进电机控制结构示意图 

图3是本发明步进电机驱动控制器及实施例1的结构示意图 

图4是采用本发明步进电机驱动控制器实施例2和实施例3示意图 

图5是本发明步进电机驱动控制器中软件的主程序流程图 

图6是本发明步进电机驱动控制器中软件的中断处理子程序流程图 

图7是本发明步进电机驱动控制器中软件的命令处理子程序流程图 

具体实施方式

请参阅图3，由图可以看出，本发明步进电机驱动控制器9的构成包括步进电机控制电路901和步进电机驱动电路902并集成在一块电路板上，具有控制和驱动步进电机的两个功能； 

所述的步进电机控制电路901由可编程CPU芯片90101及其典型外围工作电路90104、通信口扩展芯片90102和通信接口90103组成，所述的可编程CPU芯片90101通过所述的通信口扩展芯片90102扩展出与上位机1的通信接口90103，所述的可编程CPU芯片90101固化有工作 软件和标识号或地址号； 

所述的步进电机驱动电路902由步进电机驱动芯片90201及其典型外围工作电路90203和步进电机接口90202组成，所述的步进电机驱动芯片90201的使能、脉冲和方向的引脚与所述的可编程CPU芯片90101的I/O口相连；所述的步进电机接口90202由步进电机驱动芯片90201直接引出。 

可编程CPU芯片90101选取8051单片机或其他微处理器；可编程CPU芯片典型外围工作电路90104参照可编程CPU芯片的使用文档设计。 

通信接口90103可设计成RS232接口或RS485接口或CAN接口中的一种，通信口扩展芯片90102根据通信接口选取。当通信接口90103设计为RS232接口时，通信口扩展芯片90102选取MAX3232或类似功能的芯片；当通信接口90103设计为RS485接口时，通信口扩展芯片90102选取MAX485或类似功能的芯片；当通信接口90103设计为CAN接口时，通信口扩展芯片90102选取PCA82C250或类似功能的芯片。 

步进电机驱动芯片90201选取A3977芯片或其他步进电机驱动芯片，步进电机驱动芯片典型外围工作电路90203参照步进电机驱动芯片的使用文档设计。 

定义步进电机驱动控制器9的标识号或地址号，按照图5、图6和图7程序流程编制软件，将软件固化在可编程CPU芯片90101中。 

图5和图6分别是步进电机驱动控制器中软件的主程序流程图和通信中断子程序流程图。主程序中首先是初始化整个程序的相关变量、相关标志位、步进电机驱动控制器9的标识号，然后开启通信中断，一直等待中断和判断中断标志位是否为1。一旦产生中断，就进入到通信中断子程序中运行。通信中断子程序的工作首先是判断是否为有效的校验字节，如果不是，则直接返回到主程序中，主程序又继续等待中断；如果是，则将接收的通信数据放入设定的缓存区中，设置中断标志位为1后从通信中断子程序返回到主程序中，主程序这时读通信数据缓存区数 据，按照该数据识别与标识号是否相符，如果不是，则又继续等待中断；如果是，则调用命令处理子程序，又继续等待中断。图7是命令处理子程序流程图。在命令处理子程序中，首先关掉中断，按照缓存区内容设置电机转动速度、步数和转动方向，向方向I/O口发步进电机方向的逻辑信号(“0”或“1”)，向I/O口发步进电机的脉冲信号，脉冲的数量由电机转动步数决定，一个脉冲与下一个脉冲之间的延时时间由电机转动速度决定。最后开启通信中断后，从命令处理子程序返回。 

本发明步进电机驱动控制器9应用时按照图3连接方法。步进电机驱动控制器9向上与上位机1相连，向下直接与步进电机3相连，总体结构简单。步进电机驱动控制器9包含了一个与上位机1通信的通信接口90103和一个步进电机接口90202，接口简单。 

上位机1向步进电机驱动控制器9发送命令包，步进电机驱动控制器9执行具体的控制逻辑。 

当上位机1的通信接口与步进电机驱动控制器9的通信接口不一致时，需要在上位机1和步进电机驱动控制器9直接加入一个接口转换器10，如图4所示。使上位机1的接口转换成与步进电机驱动控制器9的通信接口一致。 

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。 

本发明的实施例1说明采用本发明步进电机驱动控制器9能够达到总体控制结构简单，成本低的效果，同时达到了上位机1工作负载很小的技术效果。 

如图3所示，本发明的实施例1将步进电机驱动控制器9中可编程CPU芯片90101选用8051单片机，通信口扩展芯片90102选用MAX3232，扩展出通信接口90103成RS232接口，步进电机驱动电路902中步进电机驱动芯片90201选用二相步进电机驱动芯片A3977，步进电机驱动芯片A3977的脉冲、方向引脚与8051单片机的I/O口相连，在步进电机接口90202上的A+、A-、B+、B-引脚与二相步进电机 3相连。设置标识号如“MT01”，将包含标识号的软件图5、图6、图7程序流程编写并固化在8051单片机中。 

上位机1为控制计算机，通过上位机1的RS232接口与步进电机驱动控制器9的通信接口90103直接相连接。上位机1按照固化在8051单片机中的软件所定义的格式发命令包给步进电机驱动控制器9，就可控制了步进电机3的运转。这种结构很容易达到总体控制结构简单，成本低的效果。而且，上位机1对步进电机3的控制只要发送一个包含若干个字节的命令包，就实现了控制，说明达到了上位机1工作负载很小的技术效果。 

本发明的实施例2和实施例3说明采用本发明步进电机驱动控制器9能够达到多台步进电机控制或远程控制变得简单的技术效果。 

如图3和图4所示，本发明的实施例2的可编程CPU芯片90101选用8051单片机，通信口扩展芯片90102选用MAX485，扩展出通信接口90103成RS485接口，步进电机驱动电路902中步进电机驱动芯片90201选用二相步进电机驱动芯片A3977，步进电机驱动芯片A3977的脉冲、方向引脚与8051单片机的I/O口相连，在步进电机接口90202上的A+、A-、B+、B-引脚与二相步进电机3相连。 

接口转换器10选用USB/485转换器，上位机1通过USB/485转换器将上位机1的USB通信接口转换成RS485接口，这个RS485接口就可以实现远程控制，工作距离可达到1200米。 

为了实现多台步进电机控制，只需使用多个步进电机驱动控制器9，每个步进电机驱动控制器9在软件中固化各自的不同的标识号，如“MT01”、“MT02”、......、“MTnn”等，每个步进电机驱动控制器9驱动控制一个步进电机3。将步进电机驱动控制器9的通信接口90103——RS485接口并行连接，上位机1发送含有所述标识号的命令包，步进电机驱动控制器9只响应包含本身标识号的命令包，这样就实现了多台步进电机的控制。 

所述接口转换器10的类型还可以根据上位机1本身的通信接口而 定。如上位机1本身采用RS232接口，则接口转换器10采用RS232/RS485转换器；如上位机1本身采用通用的以太网接口，则接口转换器10采用以太网/RS485服务转换器。 

如图3和图4所示，本发明的实施例3可编程CPU芯片90101选用P18F458微处理器，通信口扩展芯片90102选用PCA82C250，扩展出通信接口90103成CAN接口，步进电机驱动电路902中步进电机驱动芯片90201选用二相步进电机驱动芯片TA8435H，步进电机驱动芯片TA8435H的脉冲、方向引脚与P18F458微处理器的I/O口相连，在步进电机接口90202上的A+、A-、B+、B-引脚与二相步进电机3相连。 

接口转换器10选用以太网/CAN总线适配器，上位机1通过以太网/CAN总线适配器将上位机1的以太网通信接口转换成CAN接口，这个CAN接口就可以实现远程控制，工作距离最远可达到10千米。同时，为了实现多步进电机控制，只需使用多个步进电机驱动控制器9，各个步进电机驱动控制器9在软件中固化各自的不同的标识号，如“MT01”、“MT02”、......、“MTnn”等，每个步进电机驱动控制器9驱动控制一个步进电机3。将步进电机驱动控制器9的通信接口90103——CAN接口并行连接，上位机1发送含有所述标识号的命令包，步进电机驱动控制器9只响应包含其本身标识号的命令包，这样就实现了多步进电机的控制。 

这里所述接口转换器10的类型还可根据上位机1本身的通信接口而定。如上位机1本身采用RS232接口，则接口转换器10采用RS232/CAN转换器；如上位机1本身采用USB接口，则接口转换器10采用USB/CAN转换器。 

实验表明，本发明步进电机驱动控制器具有智能可编程、结构简单、成本低、操作方便、大大减轻上位机的工作负载、容易实现多台步进电机的控制和远程控制的特点。 

Claims (7)

1.一种步进电机驱动控制器，特征在于其构成包括步进电机控制电路(901)和步进电机驱动电路(902)并集成在一块电路板上；

所述的步进电机控制电路(901)由可编程CPU芯片(90101)及其典型外围工作电路(90104)、通信口扩展芯片(90102)和通信接口(90103)组成，所述的可编程CPU芯片(90101)通过所述的通信口扩展芯片(90102)扩展出与上位机(1)连接的通信接口(90103)，所述的可编程CPU芯片(90101)固化有工作软件和标识号或地址号；

所述的步进电机驱动电路(902)由步进电机驱动芯片(90201)及其典型外围工作电路(90203)和步进电机接口(90202)组成，所述的步进电机驱动芯片(90201)的使能、脉冲和方向的引脚与所述的可编程CPU芯片(90101)的I/O口相连；所述的步进电机接口(90202)由步进电机驱动芯片(90201)直接引出。

2.根据权利要求1所述的步进电机驱动控制器，其特征在于所述的可编程CPU芯片(90101)是8051单片机或其他微处理器。

3.根据权利要求1所述的步进电机驱动控制器，其特征在于所述的可编程CPU芯片(90101)具有所属步进电机驱动控制器唯一的标识号或地址号。

4.根据权利要求1所述的步进电机驱动控制器，其特征在于所述的通信口扩展芯片(90102)根据通信接口选取：当通信接口(90103)为RS232接口时，通信口扩展芯片(90102)选取MAX3232或类似功能的芯片；当通信接口(90103)为RS485接口时，通信口扩展芯片(90102)选取MAX485或类似功能的芯片；当通信接口(90103)为CAN接口时，通信口扩展芯片(90102)选取PCA82C250或类似功能的芯片。

5.根据权利要求1所述的步进电机驱动控制器，其特征在于所述的通信接口(90103)是RS232接口、RS485接口或CAN接口。

6.根据权利要求1所述的步进电机驱动控制器，其特征在于所述的步进电机驱动芯片(90201)是A3977芯片或其他步进电机驱动芯片。

7.根据权利要求1至6任一项所述的步进电机驱动控制器，其特征在于所述的通信接口(90103)经一个接口转换器(10)与所述的上位机(1)相连。

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