CN102223124A - 一种控制步进电机的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于视频监控领域，提供了一种控制步进电机的装置，该装置包括：单片机，用于产生控制电机细分工作的四路PWM波；组合电路，与所述单片机的输出端相连接，用于将所述单片机输出的四路PWM波按电机细分工作的时序要求进行输出；驱动电路，与所述组合电路的输出端相连接，用于接收四路按电机细分工作的时序要求的PWM波；步进电机，与驱动电路的输出端相连接，用以将电脉冲转化为角位移的执行机构，驱动负载工作。本发明通过采用单片机、组合电路、驱动电路等结构，达到了只需具备4路PWM通道的单片机就能完成细分控制两台两相步进电机的目的，进而实现了步进电机的细分数可通过软件自由设置的功能。
Description
技术领域
本发明属于视频监控领域，尤其涉及一种控制步进电机的装置。
背景技术
目前，在视频监控领域中前端设备大部分都是内置两个电机，一个用于控制水平方向的旋转，能够捕捉360度范围内的场景变化；另一个是控制垂直方向的旋转，能够捕捉0～-90度角范围内的场景变化。而通常这类设备分为采用交流同步电机的不可调速装置和采用步进电机的可调速的变速装置，两种装置都要求其运动特性好、图像清晰稳定。
在步进电机控制的可调速装置中又分为整步驱动电机和细分驱动电机两种方式。通常在整步驱动电机过程中，一般两相步进电机的步距角为0.9°/1.8°(表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°)，永磁式步进电机的步距角一般为7.5°。当机械细分较小时，低速运转会出现图像抖动的现象。
因此目前大多数用户主要靠细分驱动器改变细分数来满足对步进电机步距角的要求，从而满足视频监控图像效果的要求。但是细分驱动器一般只具有特定的细分数且体积大，使得电路和结构都受到一定的限制。
为此，又推出了直接采用单片机的PWM输出对电机实现细分控制，这就涉及到了细分方式控制电机时，一个两相步进电机运转通常需要单片机4路PWM输出通道，两个电机就要求单片机同时具有8路PWM通道。而往往有些单片机不能同时具备8路PWM通道，因而也就不能实现同时控制两个步进电机实现细分的要求或者只能满足控制一个步进电机的需求。同时也有一部分是通过硬件实现细分的，但成本较高，且细分数受硬件电路约束，控制不灵活。
发明内容
本发明的目的在于提供一种只需具备4路PWM通道的单片机就能细分控制两台两相步进电机且细分数可通过软件自由设置的控制步进电机的装置。
本发明是这样实现的，一种控制步进电机的装置，该装置包括：
单片机，用于产生控制电机细分工作的四路PWM波；
组合电路，与所述单片机的输出端相连接，用于将所述单片机输出的四路PWM波按电机细分工作的时序要求进行输出；
驱动电路，与所述组合电路的输出端相连接，用于接收四路按电机细分工作的时序要求的PWM波，来控制电机每一相绕组的电流通断时间，达到控制电机转动的角度和速度的目的；
步进电机，与所述驱动电路的输出端相连接，用以将电脉冲转化为角位移的执行机构，驱动负载工作。
本发明通过采用单片机、组合电路、驱动电路等结构，达到了只需具备4路PWM通道的单片机就能完成细分控制两台两相步进电机的目的，进而实现了步进电机的细分数可通过软件自由设置的功能。
附图说明
图1是本发明提供的控制步进电机装置的结构框图；
图2是本发明提供的控制步进电机装置的电路原理图；
图3是本发明提供的控制步进电机装置的步进电机运转时序图；
图4是本发明提供的控制步进电机装置的组合电路图；
图5是本发明提供的控制步进电机装置的驱动电路图；
图6是本发明提供的控制步进电机装置控制一步进电机的软件实现流程图；
图7是本发明提供的控制步进电机装置控制另一步进电机的软件实现流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
图1示出了本发明实施例提供的控制步进电机装置的结构框图。为了便于说明，仅仅示出了与本发明实施例相关的部分。
如图1所示，该装置包括：
单片机11，用于产生控制电机细分工作的四路PWM波；
组合电路12，与单片机11的输出端相连接，用于将单片机11输出的四路PWM波按电机细分工作的时序要求进行输出；
驱动电路13，与组合电路12的输出端相连接，用于接收四路按电机细分工作的时序要求的PWM波，来控制电机每一相绕组的电流通断时间，达到控制电机转动的角度和速度的目的；
步进电机14，与驱动电路13的输出端相连接，用以将电脉冲转化为角位移的执行机构，驱动负载工作。
作为本发明实施例的一优选方案，组合电路12由第一集成电路和第二集成电路构成。
作为本发明实施例的一优选方案，单片机11的PWM比较匹配输出引脚与第一集成电路的输入引脚连接；
单片机11的GPIO引脚分别与第二集成电路的输入引脚连接；
第二集成电路的输出引脚与第一集成电路的输入引脚连接；
第一集成电路的输出引脚与驱动电路13的电机驱动芯片的输入引脚连接；
电机驱动芯片的输出引脚与步进电机14的输入端相接。
作为本发明实施例的一优选方案，单片机11至少具备4路PWM通道。
作为本发明实施例的一优选方案，步进电机14是两相步进电机14。
作为本发明实施例的一优选方案，单片机11输出的一路PWM波驱动一相线圈，两路PWM波控制一个步进电机14。
下面结合附图及具体实施方案对本发明的应用原理作进一步描述。
在本发明的一实施例中，单片机11以Atmega64为例，组合电路12以74HC14、74HC08组成的电路为例，电机驱动芯片以L298N为例介绍控制步进电机装置的应用原理。
如图2所示，Atmega64单片机11Timer1的PWM比较匹配输出引脚OC1A和OC1B与集成电路74HC08的输入引脚2、5和10、12连接，PC0～PC3分别与集成电路74HC14的输入引脚1、9、11、13连接；
组合电路12中，集成电路74HC14的输出引脚4、2、6、8与集成电路74HC08的输入引脚1、4、9、13连接；
集成电路74HC08输出引脚3、6、8、11与驱动电路13中电机驱动芯片L298N的输入引脚5、7、10、12连接；
电机驱动芯片L298N的输出引脚与步进电机14的输入端相接。
另一个步进电机14连接方式同上。
现对电机工作时序图的产生方式进行介绍：设单片机11的计数器从0计数到127记为一个周期，然后再从0记到127记为下一个周期，依此得到N个周期。根据单片机11产生PWM波的原理，在每一个周期内我们设置一个不同的比较值，使其输出不同的占空比值。假设十个计数周期对应步进电机14的一个步距角，一个步距角对应图2的0°～90°范围，意味着电机在是在细分方式下工作。
如图3所示，在本发明实施例中，A+/A-代表步进电机14一相线圈的两线、B+/B-代表步进电机14另一相线圈的两线；A/B线圈的相位相差90°、波形相差90°。
为使电机在细分模式下连续运行，只需循环的给步进电机14施以图3所示的驱动波形。
由驱动波形可知，步进电机14的工作分四步，第一步为0°～90°，第二步为90°～180°，第三步为180°～270°，第四步为270°～360°，其中0°～180°以90°为轴对称，180°～360°以270°为轴对称。
步进电机14工作在十细分，具体控制过程为：
第一步A+输入十个不同占空比值的波形，占空比值逐渐增加，A-输入低电平；B+输入十个不同占空比值的波形，占空比逐渐减少，B-输入低电平；
第二步A+输入十个不同占空比值的波形，占空比逐渐减小，A-输入低电平；B+输入低电平，B-输入十个不同占空比值的波形，占空比逐渐增加；
第三步A+输入低电平，A-输入十个不同占空比值的波形，占空比值逐渐增加；B+输入低电平，B-输入十个不同占空比值的波形，占空比逐渐减少；
第四步A+输入低电平，A-输入十个不同占空比值的波形，占空比逐渐减小；B+输入十个不同占空比值的波形，占空比逐渐增加，B-输入低电平。
脉宽变化的波形就是通过配置Atmega64单片机11寄存器输出的PWM波，此PWM波信号经过组合电路12中的74HC14、74HC08和电机驱动芯片L298N后输出到步进电机14的线圈上。循环地给步进电机14从第一步到第四步指定的驱动波形，步进电机14就会在十细分下工作。若想改变步进电机14的细分数，只要改变每一步距角计数总周期即可。
应当注意的是，细分数越大、步进电机14运行的最高速度会相应的变小，或者可以通过软件变细分的方式来调节步进电机14的转速，以达到自己期望的速度值。
如图4所示，在本发明实施例中，组合电路12由集成电路74HC14和集成电路74HC08连接组成，集成电路74HC14、74HC08的作用主要是将Atmega64单片机11输出的两路PWM波配合GPIO使其满足驱动电机两相线圈的时序要求(如图3)，使得步进电机14的步距角得到细分，细分越多，步进电机14运动越平稳。
在本发明实施例中，驱动电路13采用的是电机驱动芯片L298N。
电机驱动芯片L298N的构成及控制原理如下：
电机驱动芯片L298N内部是由两个如图5所示的结构组成，电机驱动芯片L298是一个双H桥型驱动芯片，可以直接控制两相步进电机14的两相绕组，共有八路开关管和两路使能端口。其中四路开关管构成一个H桥电路，控制电机的一相线圈。
电机驱动芯片L298的控制原理如图5所示：Q1、Q4对角为一组组合开关，打开时两个开关管Q1、Q4同时打开，控制电机线圈A中的顺时针电流流向；Q2、Q3对角为另一组组合开关，控制线圈A中的逆时针电流流向。四个输入端IN1～IN4分别连接到组合电路1274HC14、74HC08的输出，两路使能端口ENA、ENB控制L298N上的H桥的导通顺序。
以一相绕组A为例，根据电机驱动芯片L298内部H桥电路连接图所示，当芯片使能端ENA为高电平，IN1为高电平，IN2为低电平，电流由电源VCC经Q1、电机绕组A+、电机绕组A-、Q4和采样电阻R流到地，如图3中虚线所示。同理当ENA为高电平、IN2为高电平、IN1为低电平，电流由电源VCC经Q2、电机绕组A-、电机绕组A+、Q3和采样电阻R流到地。同理B相线圈电流由ENB、IN3、IN4控制。
以下结合图1-5，详细介绍一下如何得到图3的时序图驱动步进电机14实现细分方式的控制。
首先，根据波形特点得出以90°为对称轴的0°～180°波形及以270°对称轴的180°～360°波形，线圈A和线圈B的相位相差90°。当配置Atmega64寄存器使单片机11输出脉宽可变的PWM波后，每一路PWM波再配合一个GPIO，GPIO的高低电平用来决定此时的PWM波应该输出到哪个线圈上以及控制其电流流向。
如图4所示，在本发明的一具体实施例中，逻辑与门101、逻辑与门102的一个输入端连接同一个PWM波103，PWM波103为单片机11OC1A输出的PWM波，另一输入端分别连接逻辑非门105、逻辑非门104的输出。当PC0为高电平时，经逻辑非门104输出为低电平，经逻辑非门105输出高电平，根据与门特性，当逻辑与门输入端有一个为低电平输出即为低电平，因此，逻辑与101输出PWM波，逻辑与门102输出低电平。逻辑与门101、逻辑与门102输出经电机驱动芯片L298N输出到电机线圈A的两线A+、A-上。
为得到如图3所示的步进电机14的A线圈的波形，只需将其分为四步：
第一步0～90，令PC1输出低电平，逻辑与门102(A+)输出PWM波、逻辑与门101(A-)输出低电平；
第二步90～180，令PC1输出电平，逻辑与门102(A+)输出PWM波，波形以90为轴对称、逻辑与门101(A-)输出低电平；
第三步180～270，令PC1输出高电平，逻辑与门102(A+)输出低电平、逻辑与门101(A-)输出PWM波；
第四步270～360，令PC1输出高电平，逻辑与门102(A+)输出低电平、逻辑与门101(A-)输出PWM波，波形以270度为轴对。
步进电机14的B线圈与A线圈相位相差90度，控制方式与A线圈相同。
在本发明的一实施例中，为实现步进电机14的细分控制，只需将整步驱动时的高电平信号变成输入PWM波，低电平保持不变，按照图3所示的时序循环地输出给步进电机14，步进电机14就会细分模式下工作。
如图6、图7所示，在本发明的一实施例中，步进电机14的转速可以通过软件变细分的方式来调节，以达到用户期望的速度值。
如图6所示：首先，配置单片机端口初始化，PWM波引脚和控制引脚均设置成输出模式，其中控制L298N的使能管脚设置输出高电平。再生成一个0～90度按正弦变化的表，表中最大值应大于等于计数器计数周期最大值，此表的作用为设置定时器的比较匹配的值。其次，配置单片机定时器工作模式、允许产生溢出中断，中断函数里首先判断当前工作在第几步(如图3所示)，设置对应的两相线圈所需的波形。
设处于第一步开始，第一次产生中断时查表将表中第一个数据赋值给控制线圈A+的比较匹配寄存器，设置A-为低电平，由于B线圈相位与A线圈相差90度，所以对应的将表中倒数一个数据赋值给控制线圈B+的比较匹配寄存器，设置B-为低电平。下次中断时将表中第二个数据赋值给控制A+的比较匹配寄存器，A-为低电平，将表中倒数第二个数据赋值给控制B+的比较匹配寄存器，B-为低电平，依此类推，假设表中共有N个数据，直到将表中第N个数据赋值给控制A+的比较匹配寄存器，A-为低电平，表中第一个数据赋值给控制B+的比较匹配寄存器，B-为低电平。此时电机以N细分走过一步。
第二步，第一次产生中断时查表将表中倒数第一个数据赋值给控制线圈A+的比较匹配寄存器，设置A-为低电平，由于B线圈相位与A线圈相差90度，所以对应的将表中第一个数据赋值给控制线圈B-的比较匹配寄存器，设置B+为低电平。下次中断时将表中倒数第二个数据赋值给控制A+的比较匹配寄存器，
A-为低电平，将表中第二个数据赋值给控制B-的比较匹配寄存器，B+为低电平，依此类推，假设表中共有N个数据，直到将表中第一个数据赋值给控制A+的比较匹配寄存器，A-为低电平，表中第N个数据赋值给控制B-的比较匹配寄存器，B+为低电平。此时电机以N细分走过第二步。
同理，第三步，每次产生中断时，将表中的从第一个数据开始到第N个数据依次赋值给A-的比较匹配寄存器，A+为低电平；将表中的从第N个数据开始到第一个数据依次赋值给B-的比较匹配寄存器，B+为低电平。电机以N细分走过第三步。
同理，第四步，每次产生中断时，将表中的从第N个数据开始到第一个数据依次赋值给A-的比较匹配寄存器，A+为低电平；将表中的从第一个数据开始到第N个数据依次赋值给B+的比较匹配寄存器，B-为低电平。电机以N细分走过第四步。
依此重复第一步到第四步，就得到了N细分驱动电机工作，若要提升电机运转速度，可以采用变细分驱动电机，即采用跳跃式查表法，每隔一个数据取一个赋值给对应的比较匹配寄存器，这样就可得到N/2细分驱动电机工作，或者可以每隔n个数据取一个数据赋值给比较匹配寄存器，就得到了N/n细分驱动电机工作。这样通过变细分方式，即得到自己期望的速度值。
本发明通过采用单片机11、组合电路12、驱动电路13等结构，达到了只需具备4路PWM通道的单片机11就能完成细分控制两台两相步进电机14的目的，实现了步进电机14的细分数可通过软件自由设置的功能。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种控制步进电机的装置，其特征在于，该装置包括：
单片机，用于产生控制电机细分工作的四路PWM波；
组合电路，与所述单片机的输出端相连接，用于将所述单片机输出的四路PWM波按电机细分工作的时序要求进行输出；
驱动电路，与所述组合电路的输出端相连接，用于接收四路按电机细分工作的时序要求的PWM波，来控制电机每一相绕组的电流通断时间，达到控制电机转动的角度和速度的目的；
步进电机，与驱动电路的输出端相连接，用以将电脉冲转化为角位移的执行机构，驱动负载工作。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述组合电路由第一集成电路和第二集成电路构成，所述单片机的PWM比较匹配输出引脚与所述第一集成电路的输入引脚连接，所述单片机的GPIO引脚分别与所述第二集成电路的输入引脚连接；所述第二集成电路的输出引脚与所述第一集成电路的输入引脚连接；所述第一集成电路的输出引脚与所述驱动电路的电机驱动芯片的输入引脚连接；所述电机驱动芯片的输出引脚与所述步进电机的输入端相接。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述单片机至少具备4路PWM通道。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述步进电机是两相步进电机，所述单片机输出的一路PWM波驱动一相线圈，两路PWM波控制一个所述步进电机。
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