CN103259470A

CN103259470A - 一种支持多工作模式的步进电机运动系统

Info

Publication number: CN103259470A
Application number: CN201210035331XA
Authority: CN
Inventors: 周复
Original assignee: SHANGHAI ANPU MINGZHI AUTOMATION EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI ANPU MINGZHI AUTOMATION EQUIPMENT CO Ltd
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2032-02-16
Also published as: CN103259470B

Abstract

本发明涉及支持多工作模式的步进电机运动系统，包括通信模块、命令解析模块、电机控制模块和报警与保护模块，所述的电机控制模块通过命令解析模块与通信模块连接，所述的电机控制模块和报警与保护模块连接；所述的通信模块负责所述的步进电机运动系统与上位控制器的通信；命令解析模块负责解析通信模块获取的数据或指令，并返回相应的数据；电机控制模块实现电机在指定的工作模式下的运行控制，并支持多种工作模式控制算法；报警与保护模块实时监测步进电机运动系统的工作状况并提供报警和保护功能。现有技术相比，本发明能支持多种工作模式，且在各个工作模式下还可设定指定的I/O功能，极大的丰富了步进电机运动系统的功能及应用范围。

Description

一种支持多工作模式的步进电机运动系统

技术领域

本发明涉及一种步进电机运动系统，尤其是涉及一种支持多工作模式的步进电机运动系统。

背景技术

步进电机是将电脉冲信号转变为机械角位移的控制元件，即给步进电机一个脉冲信号，电机就转过一个步距角。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，由于步进电机控制简单，方便易用，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

虽然步进电机已被广泛地应用，但目前普遍使用的步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机可在多种模式下工作。它的工作模式较单一，通常就是工作在脉冲/方向控制方式下，必须由脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。同时由于其使用的工作模式较为单一，给诸多应用带来了不便甚至限制了其在不少场合下的应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种支持多工作模式的步进电机运动系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种支持多工作模式的步进电机运动系统，其特征在于，包括通信模块、命令解析模块、电机控制模块和报警与保护模块，所述的电机控制模块通过命令解析模块与通信模块连接，所述的电机控制模块和报警与保护模块连接；

所述的通信模块负责所述的步进电机运动系统与上位控制器的通信；命令解析模块负责解析通信模块获取的数据或指令，并返回相应的数据；电机控制模块实现电机在指定的工作模式下的运行控制，并支持多种工作模式控制算法；报警与保护模块实时监测步进电机运动系统的工作状况并提供报警和保护功能。

所述的步进电机运动系统的多种工作模式包括力矩模式、速度模式、位置模式、总线式通信控制模式和可编程智能运行模式，且各工作模式之间可在线切换。

所述的电机控制模块包括电流环闭环控制单元、速度环闭换控制单元、位置环闭环控制单元、模数转换单元、滤波单元、轨迹平滑单元、运动轨迹生成单元、指令存储及读取单元和工作模式切换单元，所述的工作模式切换单元用于切换各工作模式。

在步进电机运动系统的工作模式为力矩模式时，其调用电流环闭环控制单元、模数转换单元、滤波单元。

在步进电机运动系统的工作模式为速度模式时，其调用电流环闭环控制单元、速度环闭换控制单元、模数转换单元、滤波单元。

在步进电机运动系统的工作模式为位置模式时，其调用电流环闭环控制单元、速度环闭换控制单元、位置环闭环控制单元、模数转换单元、轨迹平滑单元。

在步进电机运动系统的工作模式为总线式通信控制模式时，其调用电流环闭环控制单元、速度环闭换控制单元、位置环闭环控制单元、滤波单元、运动轨迹生成单元。

在步进电机运动系统的工作模式为可编程智能运行模式时，其调用电流环闭环控制单元、速度环闭换控制单元、位置环闭环控制单元、滤波单元、运动轨迹生成单元、指令存储及读取单元。

该步进电机运动系统还包括I/O接口，通过I/O接口可在各个工作模式下配置多种功能。

所述的通过I/O接口可在各个工作模式下配置多种功能包括使能及非使能电机、限位输入、启动/停止运行、标识内部运行状态、条件性的输入输出、通用I/O、脉冲方向输入、刹车输出和脉冲计数输出。

与现有技术相比，本发明能支持多种工作模式，包括力矩模式、速度模式、位置模式、总线式通信控制模式及可编程智能运行模式，且在各个工作模式下还可设定指定的I/O功能，极大的丰富了步进电机运动系统的功能及应用范围，扩展了步进电机的应用场合。

附图说明

图1为本发明实现的硬件结构框图；

图2为本发明的软件结构框图；

图3为后台程序流程图；

图4为PWM周期中断处理流程图；

图5为掉电欠压中断处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图2所示，一种支持多工作模式的步进电机运动系统，包括通信模块c、命令解析模块b、电机控制模块a和报警与保护模块d，所述的电机控制模块a通过命令解析模块b与通信模块c连接，所述的电机控制模块a和报警与保护模块d连接；

所述的通信模块c负责所述的步进电机运动系统与上位控制器的通信；命令解析模块b负责解析通信模块获取的数据或指令，并返回相应的数据；电机控制模块a实现电机在指定的工作模式下的运行控制，并支持多种工作模式控制算法；报警与保护模块d实时监测步进电机运动系统的工作状况并提供报警和保护功能。

如图1所示，本发明的步进电机运动系统所实现的硬件载体包括I/O接口1、通信接口2、电源3、供电模块4、外设5、功率模块6、步进电机7和控制芯片8，所述的控制芯片8分别与I/O接口1、通信接口2、供电模块4、外设5、功率模块6连接，所述的电源3分别与供电模块4、功率模块6连接，所述的功率模块6与步进电机7连接；其中的通信模块、命令解析模块、电机控制模块和报警与保护模块为控制芯片8的嵌入式固件。

通信模块用于同上位机或是通信中断的通信，命令解析模块可用来配置或是读取运动系统的参数、工作模式、I/O功能、在线编程等，报警模块可对运动系统的运动状态进行实时监测并提供错误报警，保护模块用于对运动系统提供掉电、过压、欠压、过温、限位等状况下的保护，电机控制模块可使电机在指定的工作模式下运行，设有多种控制单元，包括电流环闭环控制单元、速度环闭环控制单元、位置环闭环控制单元、模数转换单元、滤波单元、轨迹平滑单元、运动轨迹生成单元、指令存储及读取单元，还支持力矩模式、速度模式、位置模式、总线式通信控制模式、可编程智能运行模式这五种控制模式，且各工作模式之间可实现在线切换。

在力矩模式下，电机的输出为所需的力矩，电机控制模块调用电流环闭环控制单元、模数转换单元、滤波单元，包括模拟量参考输入方式和用户指令输入方式这两种控制方式，模拟量参考输入方式允许用户设定输出力矩/模拟输入电压比例、模拟电压偏置值及死区值，用户指令输入方式允许用户使用电机所支持的指令通过RS232、RS485、CAN总线、以太网等通信方式直接设定输出力矩大小。

在速度模式下，电机按照所设定的速度运行，电机控制模块调用电流环闭环控制单元、速度环闭环控制单元、模数转换单元、滤波单元，包括模拟量参考输入方式和固定速度运行方式这两种控制方式，两种方式下都支持加减速度的设定，模拟量参考输入方式允许用户设定运行速度/模拟输入电压比例、模拟电压偏置值及死区值，固定速度运行方式可使电机直接按用户设定的速度值运行。

在位置模式下，电机可转动到所指定的绝对距离或相对距离，电机控制模块调用电流环闭环控制单元、速度环闭环控制单元、位置环闭环控制单元、模数转换单元、滤波单元、轨迹平滑单元，包括模拟量参考输入方式和脉冲输入方式两种控制方式，模拟量参考输入方式允许用户设定运行步数/模拟输入电压比例，模拟电压偏置值及死区值，脉冲输入方式允许用户使用脉冲方式控制电机，同时又支持脉冲/方向信号、正向脉冲/反向脉冲信号和正交脉冲信号三种脉冲信号的输入。

在总线式通信控制模式，电机控制模块调用电流环闭环控制单元、速度环闭环控制单元、位置环闭环控制单元、滤波单元、运动轨迹生成单元，用户可使用上位机或是控制板卡通过RS232、RS485、CAN总线、以太网等通信方式调用电机所支持的指令。

在可编程智能运行模式下，电机控制模块调用电流环闭环控制单元、速度环闭环控制单元、位置环闭环控制单元、滤波单元、运动轨迹生成单元、指令存储及读取单元，用户可使用上位机软件将电机支持的一系列控制指令固化到电机驱动内部自带的FLASH中，电机即可按照所编写的指令自动运行。

以上几种工作模式均支持I/O功能的设定，包括使能电机、限位输入、启动/停止运行、标识内部运行状态、条件性的输入输出等等。

如图3所示，后台程序的流程有如下步骤：

1)开始阶段，系统初始化主控芯片和系统变量；

2)系统判断是否有指令输入，若是，则进入步骤3)，否则进入步骤4)；

3)命令解析模块对接收到的指令进行解析和预处理，并发送响应数据；

4)后台状态机更新并处理相关指令；

5)系统显示运行状态及报警，进入步骤2)。

图4、图5是中断处理流程图，PWM周期中断处理流程的步骤如下：

a)中断初始化以及变量处理；

b)系统获取当前反馈位置；

c)平滑自适应技术控制算法模块对位置进行补偿，滤波放大器进行平滑滤波；

d)电机控制模块对电流环进行相应处理；

e)电机控制模块更新PWM；

f)命令解析模块获取并处理相关指令；

g)电机控制模块进行速度环处理；

h)电机控制模块进行位置环处理；

i)系统查询I/O状态；

j)中断状态机处理并更新；

k)系统退出中断。

保护模块用于对运动系统提供掉电、过压、欠压、过温、限位等状况下的保护，图5提供了在掉电欠压中断的处理流程，在有中断进入时，进入掉电保护处理并退出中断。

Claims

1.一种支持多工作模式的步进电机运动系统，其特征在于，包括通信模块、命令解析模块、电机控制模块和报警与保护模块，所述的电机控制模块通过命令解析模块与通信模块连接，所述的电机控制模块和报警与保护模块连接；

2.根据权利要求1所述的一种支持多工作模式的步进电机运动系统，其特征在于，所述的步进电机运动系统的多种工作模式包括力矩模式、速度模式、位置模式、总线式通信控制模式和可编程智能运行模式，且各工作模式之间可在线切换。

3.根据权利要求2所述的一种支持多工作模式的步进电机运动系统，其特征在于，所述的电机控制模块包括电流环闭环控制单元、速度环闭换控制单元、位置环闭环控制单元、模数转换单元、滤波单元、轨迹平滑单元、运动轨迹生成单元、指令存储及读取单元和工作模式切换单元，所述的工作模式切换单元用于切换各工作模式。

4.根据权利要求3所述的一种支持多工作模式的步进电机运动系统，其特征在于，在步进电机运动系统的工作模式为力矩模式时，其调用电流环闭环控制单元、模数转换单元、滤波单元。

5.根据权利要求3所述的一种支持多工作模式的步进电机运动系统，其特征在于，在步进电机运动系统的工作模式为速度模式时，其调用电流环闭环控制单元、速度环闭换控制单元、模数转换单元、滤波单元。

6.根据权利要求3所述的一种支持多工作模式的步进电机运动系统，其特征在于，在步进电机运动系统的工作模式为位置模式时，其调用电流环闭环控制单元、速度环闭换控制单元、位置环闭环控制单元、模数转换单元、轨迹平滑单元。

7.根据权利要求3所述的一种支持多工作模式的步进电机运动系统，其特征在于，在步进电机运动系统的工作模式为总线式通信控制模式时，其调用电流环闭环控制单元、速度环闭换控制单元、位置环闭环控制单元、滤波单元、运动轨迹生成单元。

8.根据权利要求3所述的一种支持多工作模式的步进电机运动系统，其特征在于，在步进电机运动系统的工作模式为可编程智能运行模式时，其调用电流环闭环控制单元、速度环闭换控制单元、位置环闭环控制单元、滤波单元、运动轨迹生成单元、指令存储及读取单元。

9.根据权利要求1所述的一种支持多工作模式的步进电机运动系统，其特征在于，该步进电机运动系统还包括I/O接口，通过I/O接口可在各个工作模式下配置多种功能。

10.根据权利要求9所述的一种支持多工作模式的步进电机运动系统，其特征在于，所述的通过I/O接口可在各个工作模式下配置多种功能包括使能及非使能电机、限位输入、启动/停止运行、标识内部运行状态、条件性的输入输出、通用I/O、脉冲方向输入、刹车输出和脉冲计数输出。