CN102624308A - 步进电机的一体化控制驱动器及控制驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进电机的一体化控制驱动器及控制驱动方法，该控制驱动器包括一嵌入式微处理系统；嵌入式微处理系统包括通信协议处理模块、指令反馈处理模块、运动控制模块、数字信号处理模块、TTL电平输出控制模块、传感器输入控制模块；通信协议处理模块与指令反馈处理模块相连；指令反馈处理模块分别与运动控制模块、数字信号处理模块、TTL电平输出控制模块、传感器输入控制模块相连；运动控制模块、数字信号处理模块、TTL电平输出控制模块和传感器输入控制模块通过数据指令总线互相通信。本发明提出了“事件比对”这一设计思想和实现方法，减轻了用户上位机的工作负荷，提高了单台或多台步进电机的一体化控制驱动器和上位机交互工作的实时性。

Description

步进电机的一体化控制驱动器及控制驱动方法

技术领域

本发明属于机电控制技术领域，涉及一种步进电机的一体化控制驱动器及控制驱动方法。

背景技术

步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行元件。由于步进电机具有控制方便、体积小等特点，所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表、绘图机和计算机外围设备中得到广泛应用。近年来，随着微电子学的迅速发展和微型计算机的普及与应用，传统的硬件电路构成的庞大复杂的控制器得以用软件实现，缩小了体积，降低了成本，同时也提高了控制的灵活性，可靠性及多功能性。

传统的分体式步进电机控制系统如图1所示，由一台用户上位机、一块4～8轴运动控制卡、1～8台驱动器构成，控制1～8台电机。从图1可知，该传统的分体式步进电机控制系统体积庞大，接线复杂。对于一个由8个电机组成的系统，运动控制卡和所有驱动器之间用于控制信号的导线可达24根以上；此外，还需加上32根步进电机和驱动器之间的接线。所以，终端用户要面临高达56根的导线连接和后续维护。从控制层面看，所有八套电机的运动控制全由一块运动控制卡完成，因此控制软件的编制和维护是一项非常大的工程；同时该类型的运动控制卡价格昂贵，对用户上位机的要求也颇高。

鉴于传统的分体式步进电机控制系统体积庞大、接线复杂等缺陷，国际上兴起一种一体化步进电机控制驱动器的控制系统。这种一体化步进电机控制驱动器的概念体现了整个机电控制领域的总趋势，即小型化，信息化和智能化。这种电机控制驱动器是基于嵌入式微处理器实现的，该控制系统具有体积小，成本低、使用灵活的特点，广泛应用于数控机床、机器人、定量进给、工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等领域。该电机控制驱动器的体积为现有产品的1/10以下，可以和电机连为一体。不仅如此，其重要的特征在于嵌入式微处理器能够完成绝大部分运动控制功能。在此之前，这些运动控制功能在传统的控制系统中必须由用户上位机完成，占用用户上位机30％～60％以上的计算负荷。如图2所示，国外一体化步进电机控制系统由一台用户上位机和1～50台一体化带控制驱动器的步进电机构成。该国外一体化步进电机驱动控制系统的内部结构如图3所示。步进电机和步进电机驱动控制器是有机地组合在一起的，电机和驱动器之间的连线由厂家完成，终端用户一般只需用两根导线就可以将所有电机并联在一起(不包括电机电源线)，因此整个系统的导线数大大降低，一般整个系统的导线总数(包括电源线)在四根左右。同时，该驱动控制器内部自带运动控制功能，以及一些简单的传感器输入输出功能，从而在一定程度上免去了运动控制卡以及传感器信号采集卡。这种控制系统，接线简单，维护方便，同时对用户上位机的软硬件要求大大下降。此外，由于步进电机和驱动器有机地组合为一体，之间的匹配问题已由厂家完成，故而整体性能要比传统的分体式步进电机控制系统高得多。

但是目前的一体化控制驱动器仍存在控制结构简单实时性能不够高，体积不够小等问题。由于目前的一体化控制驱动器多采用查询方式或者简单的定时反馈方式，所以在对一些运动过程控制时，需要用户的上位机(主控制机)不停地询问和关注当前的运动参数，以期当电机到达一些关键控制点时能够及时作出反应。这样的做法导致大量上位机工作被浪费在无谓的反复查询通讯上，同时也增加了通讯总线上的负荷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种步进电机的一体化控制驱动器，该控制驱动器能够减轻用户上位机的工作负荷；

此外，本发明还提供上述步进电机的一体化控制驱动器的控制驱动方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。

一种步进电机的一体化控制驱动器，包括电源管理模块、驱动和功放电路、嵌入式微处理系统、通讯驱动电路；所述电源管理模块与嵌入式微处理系统相连，用以控制嵌入式微处理系统的供电；所述嵌入式微处理系统与驱动和功放电路相连，用以控制处理驱动和功放电路的工作；所述嵌入式微处理系统与通讯驱动电路相连，用以控制通讯驱动电路的工作状态；所述嵌入式微处理系统包括通信协议处理模块、指令反馈处理模块、运动控制模块、数字信号处理模块、TTL电平输出控制模块、传感器输入控制模块；所述通信协议处理模块与指令反馈处理模块相连；所述指令反馈处理模块分别与运动控制模块、数字信号处理模块、TTL电平输出控制模块、传感器输入控制模块相连；所述运动控制模块、数字信号处理模块、TTL电平输出控制模块和传感器输入控制模块通过数据指令总线互相通信；所述嵌入式微处理系统中的运动控制模块与驱动和功放电路相连，用以控制处理驱动和功放电路的工作；所述嵌入式微处理系统中的通信协议处理模块与通讯驱动电路相连，用以控制通讯驱动电路的工作状态。

作为本发明的一种优选方案，所述嵌入式微处理系统还包括与所述TTL电平输出控制模块相连的TTL控制输出端口。

作为本发明的另一种优选方案，所述嵌入式微处理系统还包括与所述传感器输入控制模块相连的传感器输入端口。

一种步进电机的一体化控制驱动器的控制驱动方法，所述控制驱动方法是基于事件的控制驱动方法，主要包括以下步骤：

设计步骤一，在所述的一体化控制驱动器记忆体中按具体情况定义2个相互关联成对的变量表，一个称为事件表，另一个称为动作表，统称为事件-动作表；

设计步骤二，所述事件表的每个单元都对应所述动作表中的一个单元，所述事件表与动作表中的每个单元均为一个数值变量或者一个数组变量；

设计步骤三，所述事件表中的任何一个单元的值如果在实际工作中被工作参数匹配，则相关联的动作表中的相应单元的值所代表的控制参数或者动作将被立即执行或者写入未来执行的动作序列表中；

设计步骤四，通过设计通讯接口以便更改所述事件-动作表中的每个单元，进而定义关注事件；或者指令更改动作表中的每个单元以定义关注事件发生时控制驱动器应执行的动作；

设计步骤五，通过设计软件或硬件接口使所有控制单元或者模块在某个关注事件发生时能够全部接到所述关注事件发生的通知；

运行步骤一，判断是否有用户指令要求设置事件-动作表，若有则设置事件-动作表，然后执行运行步骤二；否则直接执行运行步骤二；

运行步骤二，根据期望参数的变化或/和各参数实际测量值的变化判定关注事件是否发生；

运行步骤三，参照所述事件-动作表执行相应动作。

作为本发明的一种优选方案，所述事件-动作表包括运动模式的事件-动作表、电平控制的事件-动作表、传感器控制的事件-动作表。如果运动控制模块、电平控制模块和传感器控制模块共同使用一个记忆体即内存，以上3种表对可以首尾相接地使用同一内存区域。换言之，从形式上看，3种表对合并为一个连续的长表对。

作为本发明的另一种优选方案，所述控制驱动方法包括基于事件的运动控制方法，所述基于事件的运动控制方法包括以下步骤：

A1、运动控制模块从所述一体化控制驱动器记忆体中读取当前运动参数，所述当前运动参数包括速度、方向、位移、力矩、电流；

A2、运动控制模块根据当前运动参数，与用户定义的运动控制事件表比较，判断是否有用户关注事件发生；如果有，并且该关注事件与运动控制相关，则根据用户定义的运动模式的事件-动作表定义今后的期望控制动作，并将所述期望控制动作写入期望运动控制动作表；如果该关注事件与电平输出相关，则根据用户定义的电平控制的事件-动作表定义今后的期望输出电平；如果该关注事件与变化通知相关，则发送该事件信息到用户上位机；如果该事件并非用户关注事件，则继续步骤A3；

例如：

【事件表】

事件1：速度＝0并且位移已经大于10；对应动作1。(注释：在移动距离大于10后，如果停止了，比如到达了指定位置，或者根据传感器输入事件停止了，执行动作1)

事件2：到达指定位置；对应动作2+3。(注：运动控制事件表中事件都是与运动参数相关的)

【动作表】

动作1：反向；+速度＝10；+位移＝5；启动。(注释：以一定速度倒退一小点，避免贴得太紧。)

动作2：速度＝0；(注释：停止)

动作3：TTL输出高电平。(注释：点亮指示灯)(注：运动控制动作表中的动作不一定都是与运动参数相关的，一个动作可以包括一条指令或者多条指令，如动作1)。

在实际应用中，动作2和3也可以合并为一个动作。视具体程序逻辑框架，和编程者的习惯而定。

A3、运动控制模块从所述期望运动控制动作表读取期望控制动作；

A4、运动控制模块根据期望控制动作换算出期望运动参数，所述期望运动参数包括速度、加速度、电流、力矩等；并进而计算出下一个执行周期内的硬件执行参数，所述可执行参数包括脉冲频率、方向电平、脉冲计数、数模转换电压；

A5、运动控制模块将所述硬件执行参数输出到底层电机驱动相应执行硬件。

作为本发明的再一种优选方案，所述控制驱动方法包括基于事件的传感器控制方法，所述基于事件的传感器控制方法包括以下步骤：

B1、传感器控制模块判断是否有用户指令改变传感器端口配置，如果有则修改传感器端口配置，然后读取传感器；否则直接读取传感器；

B2、传感器控制模块判断是否有用户查看传感器读数，如果有则发送传感器读数到用户上位机，然后执行步骤B3；否则直接执行步骤B3；

B 3、传感器控制模块判断传感器状态/读数是否有改变，如果有改变则与用户定义的传感器控制的事件-动作表比较，然后执行步骤B4；否则返回执行步骤B1；

B4、传感器控制模块判断是否有用户关注事件发生，如果有则判断该关注事件与什么相关，否则返回执行步骤B1；如果该事件与运动控制相关，则根据用户定义的传感器控制的事件-动作表修改期望控制动作并写入期望运动控制动作表；如果该事件与电平输出相关，则根据用户定义的传感器控制的事件-动作表修改期望输出电平；如果该事件与变化通知相关，则发送该事件信息到用户上位机。

作为本发明的再一种优选方案，所述控制驱动方法包括基于事件的TTL电平输出控制方法，所述基于事件的TTL电平输出控制方法包括以下步骤：

C1、电平输出控制模块判断用户是否想直接控制电平输出，如果是则执行步骤C3；否则执行步骤C2；

C2、电平输出控制模块读取期望输出电平；

C3、电平输出控制模块输出到底层硬件，然后返回执行步骤C1。

本发明的有益效果在于：本发明提出了“事件比对”这一设计思想和实现方法，减轻了用户上位机的工作负荷，提高了单台或者多台步进电机的一体化控制驱动器和用户上位机交互工作的实时性。

附图说明

图1为传统的分体式步进电机控制系统的结构示意图；

图2为国外一体化步进电机驱动控制系统的结构示意图；

图3为国外一体化步进电机驱动控制系统的内部框图；

图4为实施例一所述的步进电机的一体化控制驱动器结构示意图；

图5为实施例二所述的步进电机的一体化控制驱动系统结构示意图；

图6为基于事件的控制流程原理图；

图7为基于事件的运动控制流程示意图；

图8为基于事件的传感器控制流程示意图；

图9为基于事件的TTL电平输出控制流程示意图；

图10为传统的查询方式的主机工作负荷和实时性示意图；

图11为本发明所述的驱动控制方法的主机工作负荷和实时性示意图；

图12A为独立运行的通信线程的示意图；

图12B为独立运行的运动控制线程的示意图；

图12C为独立运行的传感器控制线程的示意图；

图12D为独立运行的电平输出控制线程的示意图；

图12E为独立运行的其他线程的示意图；

图13为串行运行的子程序示意图。

主要组件符号说明：

1、步进电机的一体化控制驱动器；11、电源管理模块；

12、驱动和功放电路；           13、嵌入式微处理系统；

14、通讯驱动电路；             131通信协议处理模块；

132、指令反馈处理模块；        133、运动控制模块；

134、数字信号处理模块；        135、TTL电平输出控制模块；

136、传感器输入控制模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例一

本实施例提供一种步进电机的一体化控制驱动器，如图4所示，该步进电机的一体化控制驱动器1包括电源管理模块11、驱动和功放电路12、嵌入式微处理系统13、通讯驱动电路14。所述电源管理模块11与嵌入式微处理系统13相连，用以控制嵌入式微处理系统13的供电；所述嵌入式微处理系统13与驱动和功放电路12相连，用以控制处理驱动和功放电路12的工作；所述嵌入式微处理系统13与通讯驱动电路14相连，用以控制通讯驱动电路的工作状态。

所述嵌入式微处理系统13包括通信协议处理模块131、指令反馈处理模块132、运动控制模块133、数字信号处理模块134、TTL电平输出控制模块135、传感器输入控制模块136。所述通信协议处理模块131与指令反馈处理模块132相连；所述指令反馈处理模块132分别与运动控制模块133、数字信号处理模块134、TTL电平输出控制模块135、传感器输入控制模块136相连；运动控制模块133、数字信号处理模块134、TTL电平输出控制模块135和传感器输入控制模块136通过数据指令总线互相通信。所述嵌入式微处理系统13中的运动控制模块133与驱动和功放电路12相连，用以控制处理驱动和功放电路12的工作；所述嵌入式微处理系统13中的通信协议处理模块131与通讯驱动电路14相连，用以控制通讯驱动电路的工作状态。

实施例二

本实施例提供一种步进电机的一体化控制驱动系统，如图5所示，该系统包括一台用户上位机、和通过CAN总线与用户上位机通信的若干台带一体化控制驱动器的步进电机。所述带一体化控制驱动器的步进电机包括步进电机、电源、传感器输入端口、TTL控制输出端口、步进电机控制驱动器。所述电源分别与步进电机控制驱动器中的驱动和功放电路、电源管理模块相连，用以供电。所述步进电机与步进电机控制驱动器中的驱动和功放电路相连；所述用户上位机与一体化控制驱动器中的通讯驱动电路相连；所述传感器输入端口与一体化控制驱动器中的传感器输入控制模块相连，用以输入传感器信息；所述TTL控制输出端口与一体化控制驱动器中的TTL电平输出控制模块相连，用以控制TTL电平的输出。

实施例三

本实施例提供一种实施例一所述的步进电机的一体化控制驱动器的控制驱动方法，其原理如图6所示，该控制驱动方法包括基于事件的运动控制方法、基于事件的传感器控制方法、基于事件的TTL电平输出控制方法。

【基于事件的控制方法】

基于事件的控制方法是在所述的一体化控制驱动器记忆体中按具体情况定义多对相互关联成对的变量表，一个称为事件表，另一个称为动作表。事件和相关动作表通常成对使用。其中某个事件表的每个单元(一个数值变量或者一个数组变量)都对应相应动作表中的一个单元(一个数值变量或者一个数组变量)。事件表中的任何一个单元的值如果在实际工作中被工作参数(期望值或者当前实际值)匹配，则相关联的动作表中的相应单元的值所代表的控制参数或者动作将被立即执行或者写入未来执行的动作序列表(例如期望运动控制动作表)中。

同时设计通讯接口(包括硬件以及/或者软件)以便能够使用指令或其他方式更改每对事件-动作表中事件表的每个单元，进而定义关注事件，也可以指令更改动作表中的每个单元以定义关注事件发生时控制驱动器应执行的动作；

并且设计软件以及/或者硬件接口以便所有控制单元或者模块在某个关注事件发生时能够全部接到该事件发生的通知。

在运行的过程中，首先判断是否有用户指令要求设置相关事件-动作表，若有则设置事件-动作表，然后执行步骤二；否则跳过步骤二直接执行后面的步骤三。步骤二：根据期望参数的变化以及/或者各参数实际测量值的变化判定关注事件是否发生；步骤三，参照相关事件-动作表执行相应动作。

每个模块(如运动控制模块，传感器控制模块等)均有各自的事件-动作表对。不同的模块产生的事件不同(如运动控制模块产生的电机停止事件，运动到位事件；传感器控制模块产生的一号传感器高电平事件，二号传感器读数超过允许极限等)，但是产生的动作可能相同(如电机紧急刹车)。

【基于事件的运动控制方法】

所述基于事件的运动控制方法的流程如图7所示，包括以下步骤：

A1、运动控制模块(固件，即硬件和软件)从硬件或者内存中读取当前运动参数，如速度、方向、位移、力矩、电流等；

A2、运动控制模块根据当前运动参数，与用户定义的运动控制事件表比较，判断是否有用户关注事件发生；如果有，并且该关注事件与运动控制相关，则根据用户定义的运动模式的事件-动作表定义今后的期望控制动作并写入期望运动控制动作表；如果该关注事件与电平输出相关，则根据用户定义的电平控制的事件-动作表定义今后的期望输出电平；如果该关注事件与变化通知相关，则发送该事件信息到用户上位机；如果该事件并非用户关注事件，则继续下一步。

A3、运动控制模块从期望运动控制动作表读取期望控制动作；

A4、运动控制模块根据期望控制动作换算出期望运动参数包括速度、加速度、电流、力矩等；并进而计算出下一个执行周期内的脉冲频率、方向电平、脉冲计数、数模转换电压等硬件执行参数；

A5、运动控制模块将所述硬件执行参数输出到底层电机驱动相应执行硬件。

【基于事件的传感器控制方法】

在实施例一所述的步进电机的一体化控制驱动器中，传感器输入控制模块能够与运动控制模块、数字信号处理模块、TTL电平输出控制模块直接交流。

现有的步进电机控制驱动器通常是1)在用户查询时才提供检测到的当前传感器读数，或者2)按照一定频率(即按照用户给定的时间间隔)提供检测到的当前传感器读数。本发明采用的传感器输入控制模块是一种基于事件的传感器输入控制结构模块。传感器输入控制模块在检测到任何一个传感器读数发生变化时，会与传感器控制的事件表比对，并且在比对成功时产生一个该传感器的变化事件；同时传感器输入控制模块将对照传感器控制的动作表(由用户指令设定，保存于非易失性内存，断电不会丢失)调整运动方式和运动参数，并写入期望运动控制动作表。运动控制模块在读取该期望运动控制动作表时该动作得以被执行。

本发明采用的传感器输入端口能够被配置为接受数字量输入或者接受模拟量输入，其它现有技术不能配置。亦即，如果某个端口出厂时设定为模拟输入则该端口永远为模拟输入，即使用户由于布线等原因需要该端口为数字量输入，也不可能)。实现时，用户上位机通过指令，设置一个名为“主配置寄存器”的变量(保存于非易失性内存)，以配合输入方式(模拟输入需要模数转换器)。设置完成后，系统将会根据设置自动调整端口电路。如果某端口配置成模拟量输入，则控制器内部的电子切换开关会自动将该端口的输入连接到模数转换器。反之，该端口的输入通道将被内部的电子切换开关导向数字输入控制电路。传感器输入端口配置为接受模拟量输入后，输入的模拟量将被送到数字信号处理模块进行滤波等处理，同时会将输入的模拟量与传感器控制的事件-动作表中的“模拟量阈值上下限单元”(该“模拟量阈值上下限单元”可由指令设定，保存于非易失性内存)比对。比对的结果用于产生“模拟量输入大于设定阈值上限”或者“模拟量输入小于设定阈值下限”的传感器事件。和其他传感器事件一样，这两类事件可被用于控制运动。

所述基于事件的传感器控制方法的流程如图8所示，包括以下步骤：

B1、传感器控制模块(固件)判断是否有用户指令改变传感器端口配置，如果有则修改传感器端口配置，然后读取传感器；否则直接读取传感器；

B2、传感器控制模块判断是否有用户查看传感器读数，如果有则发送传感器读数到用户上位机，然后执行步骤B3；否则直接执行步骤B3；

B3、传感器控制模块判断传感器状态/读数是否有改变，如果有改变则与用户定义的传感器控制的事件-动作表比较，然后执行步骤B4；否则返回执行步骤B1；

B4、传感器控制模块判断是否有用户关注事件发生，如果有则判断该事件与什么相关，否则返回执行步骤B1；如果该事件与运动控制相关，则根据用户定义的传感器控制的事件-动作表修改期望控制动作并写入期望运动控制动作表；如果该事件与电平输出相关，则根据用户定义的传感器控制的事件-动作表修改期望输出电平；如果该事件与变化通知相关，则发送该事件信息到用户上位机。

【基于事件的TTL电平输出控制方法】

在实施例一所述的步进电机的一体化控制驱动器中，TTL电平输出控制模块能够和运动控制模块、数字信号处理模块、传感器输入控制模块直接交流。与上述传感器输入控制结构类似，本发明采用的TTL电平输出控制模块是一种基于事件的TTL电平输出控制结构模块。TTL电平输出控制模块会时刻检测系统内产生并传递的各种事件，并将这些事件与输出控制的事件-动作表中定义的事件比对。如果比对成功，则根据输出控制的事件-动作表中所定义的电平产生输出。本发明所述的TTL电平输出控制方法与现有技术都可以根据用户指令执行输出的电平，但是现有技术没有本发明提出的“事件比对”这一设计思想和实现方法。

值得注意的是，不同模块可能对某一事件或几个事件做出相同的或者不同的反应动作。因此在实际应用，本发明提出的“事件比对”的设计思想和方法，还应根据实际应用定义相应的冲突解决机制。一个可选方案就是按各模块自动设置动作的时间先后排序处理，后来的冲掉前面的设置，并且设定各事件的重要性。例如，发生机械越过限位事件时，必须执行急停动作，而覆盖所有其他运动动作。

此外，用户也可根据实际情况，在设置各事件-动作表时防止一个事件导致矛盾的动作产生。

所述基于事件的TTL电平输出控制方法的流程如图9所示，包括以下步骤：

C1、电平输出控制模块(固件)判断用户是否想直接控制电平输出，如果是则执行步骤C3；否则执行步骤C2；

C2、电平输出控制模块读取期望输出电平；

C3、电平输出控制模块输出到底层硬件，然后返回执行步骤C1。

本实施例所述的步进电机的一体化控制驱动器的控制驱动方法的固件程序可以由若干独立运行的线程组成，如图12A至图12E所示，也可以由串行运行的若干子程序组成，如图13所示。

本发明提出了“事件比对”这一设计思想和实现方法，减轻了用户上位机的工作负荷，提高了单台或者多台步进电机控制驱动器和用户上位机交互工作的实时性。本发明的所有控制模块(如运动控制模块、TTL电平输出控制模块、传感器输入控制模块)都具备判断“关注事件”发生的能力。根据用户对事件-动作表的设置，这些关注事件能够被直接反馈给用户上位机，称为“变化通知”。发送关注事件通知也是一种动作，被列在事件-动作表对的动作表中。当系统中某一参数发生变化，并被关注。当某一事件被判断为关注事件后，该关注事件被送往指令和反馈处理模块与《事件变化通知使能表》(由用户指令设定，保存于非易失性内存)进行对比，如果该事件变化的属性“允许发送通知”，则该变化将被自动发送到用户上位机；如果该事件变化的属性“无需发送通知”，则该变化不会被发送到用户上位机。

本发明采用的“变化通知”机制极大的减轻了用户上位机的负荷。举一简单例子：班长要求战士小王到达某高地，同时班长还要指挥本地作战。如果没有“变化通知”，班长为了保证小王到达后立即获知，必须不停通过步话机询问小王，以判定是否到位，极大地分散了注意力。如果采用“变化通知”，小王到达后会立即通知班长。而在此前，班长无需分心小王的事。班长就相当于用户上位机，本地作战相当于用户上位机的其他任务，如用户界面等，而小王就相当于本发明所述的步进电机的一体化驱动控制器。下面以一实例来量化说明。

实施例四

本实施例将实施例三所述的基于事件的驱动控制方法与传统的查询式控制方法进行对比，如图10和11所示。

对比场景：在一激光聚焦系统中，有一步进电机带动一个激光光学镜头作高速直线运动，工作过程中，激光镜头在碰到限位开关时必须在立即停止。

1)采用传统查询式控制方式，每隔10毫秒，由用户上位机主动查询，驱动器作答，再由用户上位机判断是否停止电机，如果需要停止，则由用户上位机发送停止指令，驱动器关停电机，然后向用户上位机报告电机已停止。从电机到位应该停止到实际关停电机的时间差(视主机工作速度和通讯速率)一般大于10～50毫秒。该过程中，用户上位机的工作负荷和时间关系如图10所示，其中T1表示用户上位机发送指令查询当前位置所用时间；T2表示等待驱动器有关当前位置的反馈所用时间；T3表示接收驱动器有关当前位置的反馈所用时间；T4表示判断电机是否到位所用时间；T5表示用户上位机发送电机停止指令所用时间；T6表示驱动器接收停止指令所用时间；T7表示用户上位机接收驱动器发出的有关电机已经停止的反馈所用时间。从图10可以看出，从工件到位电机应该停止的时刻起到电机实际停止的时刻为止，共需要约10～50毫秒的延迟。对于高速精密仪器，10～50毫秒的误差已足够光学镜头擦伤撞碎。即使对于低速运动，如果用户上位机要同时控制多台驱动器，仅查询的时间和负荷也会使主机不堪负荷，导致瘫痪。当前工业中每台设备控制有10～30台电机的比比皆是。

2)采用本发明所述的基于事件的传感器控制方法，以及变化通知，那么仅在电机到位后，用户上位机才需要处理驱动器发回来的电机停止通知反馈。在电机到位前，用户上位机不需要做任何工作，并且从电机到位应该停止到实际关停电机的时间差小于0.5毫秒，同时用户上位机得到电机停止反馈的时间也小于0.5毫秒。事实上，由于设置了事件变化通知和由事件驱动的电机停止动作，当驱动器监测到电机到位的事件时，驱动器瞬间关闭电机，并且立刻发回电机停止的反馈信息。

本发明提出的基于事件比对的设计思想和实现方法也适用于其他电机(如伺服电机)的控制系统。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。

Claims (9)

1.一种步进电机的一体化控制驱动器，包括电源管理模块(11)、驱动和功放电路(12)、嵌入式微处理系统(13)、通讯驱动电路(14)；所述电源管理模块(11)与嵌入式微处理系统(13)相连，用以控制嵌入式微处理系统(13)的供电；所述嵌入式微处理系统(13)与驱动和功放电路(12)相连，用以控制处理驱动和功放电路(12)的工作；所述嵌入式微处理系统(13)与通讯驱动电路(14)相连，用以控制通讯驱动电路的工作状态；其特征在于：所述嵌入式微处理系统(13)包括通信协议处理模块(131)、指令反馈处理模块(132)、运动控制模块(133)、数字信号处理模块(134)、TTL电平输出控制模块(135)、传感器输入控制模块(136)；所述通信协议处理模块(131)与指令反馈处理模块(132)相连；所述指令反馈处理模块(132)分别与运动控制模块(133)、数字信号处理模块(134)、TTL电平输出控制模块(135)、传感器输入控制模块(136)相连；所述运动控制模块(133)、数字信号处理模块(134)、TTL电平输出控制模块(135)和传感器输入控制模块(136)通过数据指令总线互相通信。

2.根据权利要求1所述的步进电机的一体化控制驱动器，其特征在于：所述嵌入式微处理系统(13)中的运动控制模块(133)与驱动和功放电路(12)相连，用以控制处理驱动和功放电路(12)的工作；所述嵌入式微处理系统(13)中的通信协议处理模块(131)与通讯驱动电路(14)相连，用以控制通讯驱动电路的工作状态。

3.根据权利要求1所述的步进电机的一体化控制驱动器，其特征在于：所述嵌入式微处理系统(13)还包括与所述TTL电平输出控制模块(135)相连的TTL控制输出端口。

4.根据权利要求1所述的步进电机的一体化控制驱动器，其特征在于：所述嵌入式微处理系统(13)还包括与所述传感器输入控制模块(136)相连的传感器输入端口。

5.一种步进电机的一体化控制驱动器的控制驱动方法，其特征在于，所述控制驱动方法是基于事件的控制驱动方法，主要包括以下步骤：

设计步骤一，在所述的一体化控制驱动器记忆体中按具体情况定义2个相互关联成对的变量表，一个称为事件表，另一个称为动作表，统称为事件-动作表；

设计步骤二，所述事件表的每个单元都对应所述动作表中的一个单元，所述事件表与动作表中的每个单元均为一个数值变量或者一个数组变量；

设计步骤三，所述事件表中的任何一个单元的值如果在实际工作中被工作参数匹配，则相关联的动作表中的相应单元的值所代表的控制参数或者动作将被立即执行或者写入未来执行的动作序列表中；

设计步骤四，通过设计通讯接口以便更改所述事件-动作表中的每个单元，进而定义关注事件；或者指令更改动作表中的每个单元以定义关注事件发生时控制驱动器应执行的动作；

设计步骤五，通过设计软件或硬件接口使所有控制模块在某个关注事件发生时能够全部接到所述关注事件发生的通知；

运行步骤一，判断是否有用户指令要求设置事件-动作表，若有则设置事件-动作表，然后执行运行步骤二；否则直接执行运行步骤二；

运行步骤二，根据期望参数的变化或/和各参数实际测量值的变化判定关注事件是否发生；

运行步骤三，参照所述事件-动作表执行相应动作。

6.根据权利要求5所述的步进电机的一体化控制驱动器的控制驱动方法，其特征在于，所述事件-动作表包括：运动控制的事件-动作表、电平控制的事件-动作表、传感器控制的事件-动作表。

7.根据权利要求6所述的步进电机的一体化控制驱动器的控制驱动方法，其特征在于，所述控制驱动方法包括基于事件的运动控制方法，所述基于事件的运动控制方法包括以下步骤：

A1、运动控制模块从控制驱动器记忆体中读取当前运动参数，所述当前运动参数包括速度、方向、位移、力矩、电流；

A2、运动控制模块根据当前运动参数，与用户定义的运动控制事件表比较，判断是否有用户关注事件发生；如果有，并且该关注事件与运动控制相关，则根据用户定义的运动模式的事件-动作表定义今后的期望控制动作，并将所述期望控制动作写入期望运动控制动作表；如果该关注事件与电平输出相关，则根据用户定义的电平控制的事件-动作表定义今后的期望输出电平；如果该关注事件与变化通知相关，则发送该事件信息到用户上位机；如果该事件并非用户关注事件，则继续步骤A3；

A3、运动控制模块从所述期望运动控制动作表读取期望控制动作；

A4、运动控制模块根据期望控制动作换算出期望运动参数，所述期望运动参数包括速度、加速度、电流、力矩；并进而计算出下一个执行周期内的硬件执行参数，所述可执行参数包括脉冲频率、方向电平、脉冲计数、数模转换电压；

A5、运动控制模块将所述硬件执行参数输出到底层电机驱动相应执行硬件。

8.根据权利要求6所述的步进电机的一体化控制驱动器的控制驱动方法，其特征在于，所述控制驱动方法包括基于事件的传感器控制方法，所述基于事件的传感器控制方法包括以下步骤：

B1、传感器控制模块判断是否有用户指令改变传感器端口配置，如果有则修改传感器端口配置，然后读取传感器；否则直接读取传感器；

B2、传感器控制模块判断是否有用户查看传感器读数，如果有则发送传感器读数到用户上位机，然后执行步骤B3；否则直接执行步骤B3；

B 3、传感器控制模块判断传感器状态/读数是否有改变，如果有改变则与用户定义的传感器控制的事件-动作表比较，然后执行步骤B4；否则返回执行步骤B1；

B4、传感器控制模块判断是否有用户关注事件发生，如果有则判断该关注事件与什么相关，否则返回执行步骤B1；如果该事件与运动控制相关，则根据用户定义的传感器控制的事件-动作表修改期望控制动作并写入期望运动控制动作表；如果该事件与电平输出相关，则根据用户定义的传感器控制的事件-动作表修改期望输出电平；如果该事件与变化通知相关，则发送该事件信息到用户上位机。

9.根据权利要求6所述的步进电机的一体化控制驱动器的控制驱动方法，其特征在于，所述控制驱动方法包括基于事件的TTL电平输出控制方法，所述基于事件的TTL电平输出控制方法包括以下步骤：

C1、电平输出控制模块判断用户是否想直接控制电平输出，如果是则执行步骤C3；否则执行步骤C2；

C2、电平输出控制模块读取期望输出电平；

C3、电平输出控制模块输出到底层硬件，然后返回执行步骤C1。

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