CN102891644B - 一种两相步进电机驱动电路及电机故障检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种两相步进电机驱动电路及电机故障检测方法，包括FPGA控制电路、与步进电机相连的驱动器和检测电路，检测电路与步进电机连接，检测电路与FPGA控制电路连接，驱动器与FPGA控制电路连接，检测电路对步进电机绕组电流频率进行检测，检测到的信号反馈给FPGA控制电路，FPGA控制电路判断步进电机是否发生运行故障，其优点是在没有使用编码器和位置传感器的情况下，通过对步进电机绕组电流频率的测算，再通过与预置频率的比较，就可以判断步进电机运行是否发生故障，可以在开环控制情况下对步进电机进行实时故障检测，电路简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种步进电机，尤其是涉及一种两相步进电机驱动电路及电机故障检测方法。
背景技术
步进电机作为执行元件，广泛应用在各种自动化控制系统中，步进电机由于其自身特点，一旦在运行过程中发生负载突然变化、共振等情况，就会导致严重丢步甚至出现堵转的现象，发生这样的情况需要步进电机马上停止运行，以免产生更为严重的后果。
结合步进电机自身运行特点及从成本方面考虑，步进电机通常采用开环控制的方式，导致出现上述问题时无法实时的检测。加入编码器或位置传感器等组成的反馈回路，虽然可以实现实时故障检测，但编码器或位置传感器安装复杂且成本较高，并不是一种理想的解决方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种不需外接编码器或位置传感器、成本较低的两相步进电机驱动电路及故障检测方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种两相步进电机驱动电路，其特征在于包括FPGA控制电路、与步进电机相连的驱动器和检测电路，检测电路与步进电机连接，检测电路与FPGA控制电路连接，驱动器与FPGA控制电路连接，检测电路对步进电机绕组电流频率进行检测，检测到的信号反馈给FPGA控制电路，FPGA控制电路判断步进电机是否发生运行故障。
FPGA控制电路包括串口通信模块、步进电机驱动控制模块、预置频率模块和步进电机故障判断模块，串口通信模块与步进电机驱动控制模块连接，步进电机驱动控制模块与预置频率模块连接，预置频率模块与步进电机故障判断模块连接，步进电机故障判断模块与串口通信模块连接，步进电机驱动控制模块与驱动器连接，步进电机故障判断模块与检测电路连接。
FPGA控制电路包括型号为EP2C5T144的第一芯片及外围电路，驱动器包括型号为A3977的第二芯片及外围电路，第一芯片与第二芯片相互连接，第二芯片的OUT1A引脚与步进电机一相绕组的一端连接，第二芯片的OUT1B引脚通过第一采样电阻与步进电机一相绕组的另一端连接，第二芯片的OUT2A引脚与步进电机二相绕组的一端连接，第二芯片的OUT2B引脚通过第二采样电阻与步进电机二相绕组的另一端连接。
所述的检测电路包括第一运算放大器和第二运算放大器，步进电机一相绕组与第一采样电阻之间的连接点通过第一电阻与第一运算放大器的正极输入端连接，第二芯片的OUT1B引脚与第一采样电阻之间的连接点通过第二电阻与第一运算放大器的负极输入端连接，第一运算放大器的正极输入端通过第三电阻接地，第一运算放大器的负极输入端与第一运算放大器的输出端之间设置有第四电阻，第一运算放大器的输出端通过第五电阻与第二运算放大器的负极输入端连接，第二运算放大器的正极输入端通过第六电阻接地，第二运算放大器的负极输入端通过电容接地，第二运算放大器的正极输入端与第二运算放大器的输出端之间设置有第七电阻，第二运算放大器的输出端通过二极管与第一芯片的U0引脚连接，二极管的负极通过第八电阻接地。
5．一种两相步进电机故障检测方法，其特征在于包括如下步骤：
A：测算步进电机运转时绕组电流的频率；
步骤A包括如下具体步骤：A1：检测电路采样步进电机绕组电流并将电流转化为电压；并对转换后的电压进行滤波和整形，形成矩形脉冲；
A2：FPGA控制电路中的步进电机故障判断模块对形成的矩形脉冲的频率进行测算；
B：根据测得的绕组电流频率与预置频率相比较，输出步进电机是否故障的检测结果；
B1：设定基于A3977的两相步进电机的驱动器的电流细分模式；
B2：根据设定的电流细分模式计算预置频率；
B3：测得的绕组电流频率与预置频率相比较，将比较得到的差值与预设的阈值相比较，若比较得到的差值大于预设的阈值，则输出步进电机故障的检测结果，若比较得到的差值小于预设的阈值，则输出步进电机正确的检测结果。
B1步骤中的电流细分模式取1、1/2、1/4或1/8。
预置频率由如下公式得到：
其中，f表示预置频率，P表示电流细分模式，f step 为步进脉冲频率。
与现有技术相比，本发明所述的两相步进电机驱动电路结构简单、控制灵活，采用细分电流的方式驱动步进电机，提高了步进电机的运转精度；结合所述的步进电机故障检测方法可以在没有使用编码器和位置传感器的情况下，通过对步进电机绕组电流频率的测算，再通过与预置频率的比较，就可以判断步进电机运行是否发生故障，可以在开环控制情况下对步进电机进行实时故障检测，电路实现简单，成本低。
附图说明
图1为本发明的总体结构框图；
图2为本发明的FPGA控制电路的结构框图；
图3为本发明的FPGA控制电路、驱动器与步进电机的连接图；
图4为本发明的检测电路的原理图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一种两相步进电机驱动电路，包括FPGA控制电路1、与步进电机2相连的驱动器3和检测电路4，检测电路4与步进电机2连接，检测电路4与FPGA控制电路1连接，驱动器3与FPGA控制电路1连接，检测电路4对步进电机2绕组电流频率进行检测，检测到的信号反馈给FPGA控制电路1，FPGA控制电路1判断步进电机2是否发生运行故障。
FPGA控制电路1包括串口通信模块5、步进电机驱动控制模块6、预置频率模块7和步进电机故障判断模块8，串口通信模块5与步进电机驱动控制模块6连接，步进电机驱动控制模块6与预置频率模块7连接，预置频率模块7与步进电机故障判断模块8连接，步进电机故障判断模块8与串口通信模块5连接，步进电机驱动控制模块6与驱动器3连接，步进电机故障判断模块6与检测电路4连接。
FPGA控制电路1包括型号为EP2C5T144的第一芯片及外围电路，驱动器3包括型号为A3977的第二芯片及外围电路，第一芯片与第二芯片相互连接，第二芯片的OUT1A引脚与步进电机2一相绕组的一端连接，第二芯片的OUT1B引脚通过第一采样电阻Rs1与步进电机2一相绕组的另一端连接，第二芯片的OUT2A引脚与步进电机2二相绕组的一端连接，第二芯片的OUT2B引脚通过第二采样电阻Rs2与步进电机2二相绕组的另一端连接。
检测电路4包括第一运算放大器U1和第二运算放大器U2，步进电机2一相绕组与第一采样电阻Rs1之间的连接点通过第一电阻R1与第一运算放大器U1的正极输入端连接，第二芯片的OUT1B引脚与第一采样电阻Rs1之间的连接点通过第二电阻R2与第一运算放大器U1的负极输入端连接，第一运算放大器U1的正极输入端通过第三电阻R3接地，第一运算放大器U1的负极输入端与第一运算放大器U1的输出端之间设置有第四电阻R4，第一运算放大器U1的输出端通过第五电阻R5与第二运算放大器U2的负极输入端连接，第二运算放大器U2的正极输入端通过第六电阻R6接地，第二运算放大器U2的负极输入端通过电容C接地，第二运算放大器U2的正极输入端与第二运算放大器U2的输出端之间设置有第七电阻R7，第二运算放大器U2的输出端通过二极管D1与第一芯片的U0引脚连接，二极管D1的负极通过第八电阻R8接地。
一种两相步进电机故障检测方法，其特征在于包括如下步骤：
A：测算步进电机运转时绕组电流的频率；
步骤A包括如下具体步骤：A1：检测电路4采样步进电机2绕组电流并将电流转化为电压；并对转换后的电压进行滤波和整形，形成矩形脉冲；
A2：FPGA控制电路1中的步进电机故障判断模块8对形成的矩形脉冲的频率进行测算；
B：根据测得的绕组电流频率与预置频率相比较，输出电机是否故障的检测结果；
B1：设定基于A3977的两相步进电机的驱动器3的电流细分模式；
B2：根据设定的电流细分模式计算预置频率；
B3：测得的绕组电流频率与预置频率相比较，将比较得到的差值与预设的阈值相比较，若比较得到的差值大于预设的阈值，则输出步进电机故障的检测结果，若比较得到的差值小于预设的阈值，则输出步进电机正确的检测结果。
B1步骤中的电流细分模式取1、1/2、1/4或1/8。
预置频率由如下公式得到：
其中，f表示预置频率，P表示电流细分模式，f step 为步进脉冲频率。
如图1所示，基于FPGA的核心控制电路通过串口通信与外部微处理器进行数据交换，接收指令和数据，并相应的输出控制信号给基于A3977的两相步进电机驱动器，同时检测电路4的输出作为基于FPGA的核心控制电路的输入，由FPGA核心控制电路判断步进电机是否发生运行故障。
本发明的基于FPGA的核心控制电路如图2中所示，所述的FPGA型号为EP2C5T144，包括串口通信模块5、步进电机驱动控制模块6、步进电机故障判断模块8。串口通信模块中的接收电路用于接收外部微处理器指令，包括基于A3977的两相步进电机驱动器的电流细分模式、驱动器使能、步进电机的转动方向、步进电机的步进频率等，同时，通过发送电路将步进电机的故障信号上传给外部微处理器。步进电机驱动控制模块6根据接收的指令输出控制信号给基于A3977的两相步进电机驱动器3，包括电流细分模式控制信号MS2、MS1，驱动器使能控制信号EN，步进电机转动方向控制信号DIR，步进电机的步进频率控制信号STEP。步进电机故障判断模块8根据检测电路4的反馈信号Uo的频率与预置频率相比较，当比较得到的差值不在预设的阈值之内时，输出步进电机故障的检测结果。
基于A3977的两相步进电机驱动器如图3所示，基于A3977的两相步进电机驱动器根据基于FPGA的核心控制电路的控制信号相应的驱动步进电机，其中，OUT1A、OUT1B接两相步进电机的一相绕组，并在绕组中串联了一个0.22欧姆的采样电阻Rs1；OUT2A、OUT2B接步进电机的另一相绕组，并在绕组中串联了一个0.22欧姆的采样电阻Rs2。FPGA输出的控制信号EN用于使能基于A3977的两相步进电机驱动器，FPGA输出的控制信号DIR用于设定步进电机转动方向，FPGA输出的控制信号STEP为步进电机的步进频率，FPGA输出的控制信号MS2、MS1用于设定所述的基于A3977的两相步进电机驱动器的电流细分模式（MS2、MS1从00~11分别对应电流细分模式1、1/2、1/4和1/8）。
本发明中所述的检测电路如图4所示，以其中的一相绕组为例，OUT1A、OUT1B为基于A3977的两相步进电机驱动器的输出，其直接连接步进电机的一相绕组，检测电路在上述一相绕组中串联了一个0.22欧姆的采样电阻Rs1，运算放大器U1及电阻R1、R2、R3和R4对采样电阻Rs1上的电压进行差分放大，将步进电机的绕组电流转化为电压；R5和C构成了低通滤波器，截止频率为；运算放大器U2及电阻R6、R7构成了滞回过零比较器将滤波后的电压整形成矩形脉冲，二极管D1和R8用于将比较器输出的交流矩形脉冲信号进行整流，最终的输出信号Uo反馈给基于FPGA的核心控制电路。
Claims (6)
1.一种两相步进电机驱动电路，其特征在于包括FPGA控制电路、与步进电机相连的驱动器和检测电路，检测电路与步进电机连接，检测电路与FPGA控制电路连接，驱动器与FPGA控制电路连接，检测电路对步进电机绕组电流频率进行检测，检测到的信号反馈给FPGA控制电路，FPGA控制电路判断步进电机是否发生运行故障；将步进电机的绕组电流频率和预置频率相比较，将比较得到的差值与预设的阈值相比较，若比较得到的差值大于预设的阈值，则输出步进电机故障的检测结果，若比较得到的差值小于预设的阈值，则输出步进电机运行正常的检测结果；
FPGA控制电路包括串口通信模块、步进电机驱动控制模块、预置频率模块和步进电机故障判断模块，串口通信模块与步进电机驱动控制模块连接，步进电机驱动控制模块与预置频率模块连接，预置频率模块与步进电机故障判断模块连接，步进电机故障判断模块与串口通信模块连接，步进电机驱动控制模块与驱动器连接，步进电机故障判断模块与检测电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种两相步进电机驱动电路，其特征在于FPGA控制电路包括型号为EP2C5T144的第一芯片及外围电路，驱动器包括型号为A3977的第二芯片及外围电路，第一芯片与第二芯片相互连接，第二芯片的OUT1A引脚与步进电机一相绕组的一端连接，第二芯片的OUT1B引脚通过第一采样电阻与步进电机一相绕组的另一端连接，第二芯片的OUT2A引脚与步进电机二相绕组的一端连接，第二芯片的OUT2B引脚通过第二采样电阻与步进电机二相绕组的另一端连接。
3.根据权利要求2所述的一种两相步进电机驱动电路，其特征在于所述的检测电路包括第一运算放大器和第二运算放大器，步进电机一相绕组与第一采样电阻之间的连接点通过第一电阻与第一运算放大器的正极输入端连接，第二芯片的OUT1B引脚与第一采样电阻之间的连接点通过第二电阻与第一运算放大器的负极输入端连接，第一运算放大器的正极输入端通过第三电阻接地，第一运算放大器的负极输入端与第一运算放大器的输出端之间设置有第四电阻，第一运算放大器的输出端通过第五电阻与第二运算放大器的负极输入端连接，第二运算放大器的正极输入端通过第六电阻接地，第二运算放大器的负极输入端通过电容接地，第二运算放大器的正极输入端与第二运算放大器的输出端之间设置有第七电阻，第二运算放大器的输出端通过二极管与第一芯片的U0引脚连接，二极管的负极通过第八电阻接地。
4.一种两相步进电机故障检测方法，其特征在于包括如下步骤：
A：测算步进电机运转时绕组电流的频率；
步骤A包括如下具体步骤：A1：检测电路采样步进电机绕组电流并将电流转化为电压；并对转换后的电压进行滤波和整形，形成矩形脉冲；
A2：FPGA控制电路中的步进电机故障判断模块对形成的矩形脉冲的频率进行测算；
B：根据测得的绕组电流频率与预置频率相比较，输出步进电机是否故障的检测结果；
步骤B包括如下具体步骤：
B1：设定基于A3977的两相步进电机的驱动器的电流细分模式；
B2：根据设定的电流细分模式计算预置频率；
B3：测得的绕组电流频率与预置频率相比较，将比较得到的差值与预设的阈值相比较，若比较得到的差值大于预设的阈值，则输出步进电机故障的检测结果，若比较得到的差值小于预设的阈值，则输出步进电机运行正常的检测结果。
5.根据权利要求4所述的一种两相步进电机故障检测方法，其特征在于B1步骤中的电流细分模式取1、1/2、1/4或1/8。
6.根据权利要求5所述的一种两相步进电机故障检测方法，其特征在于预置频率由如下公式得到：
其中，f表示预置频率，P表示电流细分模式，fstep为步进脉冲频率。
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