CN103684107B - 利用步进马达控制信号驱动直流马达的转换电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的转换电路，包括：步进马达信号撷取器、相位判别器、低通滤波器、直流马达正反转控制器。本发明还提供一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的方法。本发明所述电路和方法可以实现将控制步进马达的数字信号经过转换电路产生模拟信号来驱动直流马达的正反转，使直流马达产生定位的效果；进而在打印的喷头系统中有效的用直流马达替代供料的进出装置。

Description

利用步进马达控制信号驱动直流马达的转换电路及其方法

技术领域

本发明属于马达控制电路，特别涉及一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的转换电路以及具有该电路的3D打印机喷头控制电路。

背景技术

3D(Three-dimensional:3维)打印机喷头控制大部分以步进马达做为控制组件，利用定位的方式将材料使用量准确的送出，而达到3D堆栈打印的效果，但有些材料无法利用步进马达加以控制，如胶着状的材质，其进出料的设计必须特别讲究，才能达到完美3D堆栈效果，本专利为了使喷头的控制适用于胶状的材质上，特别将步进马达的数字信号转变成模拟信号来驱动直流马达，使胶状材料在直流马达的控制下可以顺利的控制材料的进出量。

步进马达的控制原理是靠脉冲的激励，使步进马达转动，因此可以很有效的达到定位的方式。脉冲的信号是利用数字的方法加以控制，然而步进马达的数字信号无法直接控制直流马达，这是由于步进马达的脉冲信号具有时序性及对称性，因此将此信号直接接上直流马达，会使直流马达无法转动。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的转换电路及具有该电路的3D打印机喷头控制电路，将控制步进马达的数字信号经过转换器产生模拟信号来驱动直流马达的正反转，使直流马达产生定位的效果，进而在打印的喷头系统中有效的用直流马达替代供料的进出装置，解决了现有技术中有些材料无法利用步进马达加以控制的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的转换电路，包括：

步进马达信号撷取器，其对步进马达四相循环脉冲信号中的A时序信号号与反A时序信号、B时序信号与反B时序信号的电压值进行比较，产生具有前后时序的两相方波信号；

相位判别器，其对两相方波信号的相位的进行比较以输出一正负脉冲信号；

低通滤波器，其对正负脉冲信号进行低通滤波，输出稳定的正负脉冲信号；

直流马达正反转控制器，其根据低通滤波器输出的正负脉冲信号驱动直流马达正转或反转。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步进马达信号撷取器包括：

第一比较器，用于接收A时序信号与反A时序信号，根据A时序信号与反A时序信号的电压比较结果，使得输出的第一方波信号为正电位、负电位或零电位；

第二比较器，用于接收B时序信号与反B时序信号，根据B时序信号与反B时序信号的电压比较结果，使得输出的第二方波信号为正电位、负电位或零电位；

第一电压跟随器，其对所述第一比较器输出的第一方波信号进行缓冲后输出第一方波信号至所述相位判别器；

第二电压跟随器，其对所述第二比较器输出的第二方波信号进行缓冲后输出第二方波信号至所述相位判别器。

进一步，所述相位判别器包括：

第一预处理电路、第二预处理电路和相位比较电路；

第一预处理电路包括：正相迟滞比较器、第一微分电路、第一正向导通电路；正相迟滞比较器、第一微分电路和第一正向导通电路依次成电路连接；正相迟滞比较器，其对所述第一电压跟随器输出的第一方波信号进行噪声干扰的滤除，输出稳定的第一方波信号；第一微分电路，其接收稳定的第一方波信号并输出尖锐的第一微分脉冲信号；第一正向导通电路，其对第一微分脉冲信号进行负向脉冲信号滤波处理，输出仅保留正向脉冲信号的第一微分脉冲信号；第一正向导通电路的输出端即为所述第一预处理电路的输出端；

第二预处理电路包括：反相迟滞比较器、第二微分电路、第二正向导通电路、相位比较电路；反相迟滞比较器、第二微分电路、第二正向导通电路依次成电路连接；反相迟滞比较器，其对所述第二电压跟随器输出的第二方波信号进行噪声干扰的滤除以及反相处理，输出反相且稳定的第二方波信号；第二微分电路，其接收反相且稳定的第二方波信号并输出尖锐的第二微分脉冲信号；第二正向导通电路，其对第二微分脉冲信号进行负向脉冲信号滤波处理，输出仅保留正向脉冲信号的第二微分脉冲信号；第二正向导通电路的输出端即为所述第二预处理电路的输出端；

相位比较电路，用于接收所述第一预处理电路的输出信号和所述第二预处理电路的输出信号，对所述第一预处理电路的输出信号和所述第二预处理电路的输出信号的相位进行比较，输出正负周期对称的脉冲信号或正负周期不对称脉冲信号。

进一步，相位比较电路包括运算放大器OP7、四个电阻R19、R20、R21、R22、两个基纳二极管Z1、Z2；相位比较电路的第一输入端通过电阻R19与运算放大器OP7的反相输入端连接；相位比较电路的第二输入端通过电阻R20与运算放大器OP7的同相输入端连接；运算放大器OP7的输出端通过电阻R21与相位比较电路的输出端连接；电阻R22连接在相位比较电路的第一输入端与相位比较电路输出端之间；基纳二极管Z1与Z2反向串联，接在相位比较电路的输出端与接地电位之间；基纳二极管Z1的阳极与相位比较电路的输出端连接，基纳二极管Z2的阴极与相位比较电路的输出端连接。

进一步，低通滤波器包括二阶低通滤波器和一阶低通滤波器；

二阶低通滤波器与一阶低通滤波器依次成电路连接；

将相位比较电路输出信号分别通过二阶滤波器和一阶低通滤波器输出至所述直流马达正反转控制器；

二阶低通滤波器和一阶低通滤波器用于滤除相位比较器输出信号的高频噪声。

进一步，直流马达正反转控制器包括：第一晶体管与第二晶体管、第一电源、第二电源；

第一晶体管的基极和第二晶体管的基极分别通过一电阻与所述低通滤波器的输出端连接；

第一晶体管的发射极与第二晶体管的发射极连接；

第一晶体管的发射极与第二晶体管的发射极的节点与直流马达的一端连接；

第一晶体管的集电极与第一电源的正极连接；

第一电源负极与直流马达的另一端连接，并与接地电位连接；

第二晶体管的集电极与所述第二电源的负极连接；

第二电源正极与直流马达的另一端连接。

本发明还提供一种3D打印机喷头控制电路，包括主电路和上述任一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的转换电路。

本发明还提供一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的方法，实现将步进马达的控制信号转换为直流马达控制信号，包括：

将步进马达四相循环脉冲信号中的A时序信号与反A时序信号、B时序信号与反B时序信号的电压值进行比较，产生具有前后时序的两相方波信号；

将所述两相方波信号的相位进行比较以输出一正负脉冲信号；

将所述正负脉冲信号进行低通滤波；

用经过低通滤波的正负脉冲信号驱动直流马达正转或反转。

本发明的有益效果为：本发明利用一个步进马达信号攫取器用于接收控制步进马达的四相循序信号，并对四相循环信号进行分析，产生两相脉冲信号；一个相位判别器，用于接收并判别两相脉冲信号的相位，产生正负信号；一个低通滤波器，将信号的涟波消除，产生稳定的正负电压水平；一个直流马达正反转控制器，根据输出电压的正负性，驱动直流马达产生正反转的动作；可以实现将控制步进马达的数字信号转变成驱动直流马达的模拟信号；藉由直流马达的正反转而达到控制3D打印机之喷头的具体表现。

附图说明

图1为本发明公开一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的转换电路结构示意图；

图2为本发明一个实施例的步进马达信号撷取器结构示意图；

图3为本发明一个实施例的相位判别器结构示意图；

图4为本发明一个实施例的低通滤波器结构示意图；

图5为本发明一个实施例的直流马达正反转控制器结构示意图；

图6为本发明一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的方法的一实施例示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

10、步进马达信号撷取器，20、相位判别器，30、低通滤波器，40、直流马达正反转控制器，101、第一比较器，102、第二比较器，103、第一电压跟随器，104、第二电压跟随器，210、第一预处理电路，220、第二预处理电路，230、相位比较电路，211、正相迟滞比较器，212、第一微分电路，213、第一正向导通电路，221、反相迟滞比较器，222、第二微分电路，223、第二正向导通电路，301、二阶低通滤波器，302、一阶低通滤波器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供一个转换电路将控制步进马达的数字信号号转变成驱动直流马达的模拟信号。步进马达必须要有四相循序脉冲信号才能驱动，四相循序信号包括A时序信号、反A时序信号、B时序信号、反B时序信号，步进马达驱动信号通常有四条接线及一条接地线，但有些只需四条连接线而没有接地线，本发明转换器可适用此两种状态的驱动。

图1为本发明公开的一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的转换电路结构示意图，如图1所示，步进马达信号控制直流马达的转换电路包括步进马达信号撷取器10，相位判别器20，低通滤波器30，直流马达正反转控制器40，该步进马达信号撷取器10的四个输入端连接步进马达四相循环脉冲信号：A时序信号、反A时序信号、B时序信号、反B时序信号，经过处理后，产生两相信号的输出，该两相信号为具有前后时序的方波脉冲信号；相位判别器20辨别两相时序脉冲的相位以输出一正负脉冲信号；低通滤波器30滤除正负脉冲信号的涟波，使正负脉冲的信号更加平整；直流马达正反转控制器40依据正负脉冲信号的电压正负性使直流马达产生正反转动作，而达到3D喷头进出材料供应的控制。

图2为本发明一个实施例的步进马达信号撷取器结构示意图，如图2所示，步进马达信号撷取器10包括：第一比较器101、第二比较器102、第一电压跟随器103和第二电压跟随器104。

第一比较器101是由一个运算放大器OP1和4个电阻R1～R4构成，运算放大器OP1为差动放大器，用于处理A时序信号和反A时序信号，当A时序信号的电压大于反A时序信号的电压时，运算放大器OP1的输出为负电位，当A时序信号的电压小于反A时序信号的电压时，运算放大器OP1的输出为正电位，若A时序信号的电压与反A时序信号的电压相同或A时序信号与反A时序信号的电压皆为零电压，运算放大器OP1的输出为零。

第二比较器102是由一个运算放大器OP2和4个电阻R1～R4构成，运算放大器OP1为差动放大器,运算放大器OP2处理B时序信号与反B时序信号的工作原理与运算放大器OP1相同。

运算放大器OP3与运算放大器OP4分别构成第一电压跟随器103和第二电压跟随器104，作为第一比较器101和第二比较器102输出信号连接到相位判别器20的缓冲器。

图3为本发明一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的转换电路的相位判别器结构示意图，如图3所示，相位判别器20包括：第一预处理电路210、第二预处理电路220和相位比较电路230；

第一预处理电路210由正相迟滞比较器211、第一微分电路212和第一正向导通电路213依次成电路连接构成；第二预处理电路220由反相迟滞比较器221、第二微分电路222、第二正向导通电路223依次成电路连接构成；

正相迟滞比较器211由运算放大器OP5和三个电阻R9、R11、R12构成，反相迟滞比较器221由运算放大器OP6和三个电阻R10、R13、R14构成；正相迟滞比较器211与反相迟滞比较器221（史密特电路），可滤除噪声的干扰，并保证输出的电压在饱和区；

第一微分电路212由电容C1、电阻R15构成，第二微分电路222由电容C2、电阻16构成；第一微分电路212和第二微分电路222分别用于将正向迟滞比较器211和反向迟滞比较器221输出的方波变为陡峭的微分脉冲信号；

第一正向导通电路213由二极管D1和电阻R17构成，第二正向导通电路223由二极管D2和电阻R18构成；二极管D1与二极管D2分别用于选择第一微分电路212和第二微分电路222的正脉冲信号。

将第一电压跟随器103的输出信号通过第一预处理电路210处理后输出至相位比较电路230的第一输入端；

将第二电压跟随器104的输出信号通过第二预处理电路220处理后输出至相位比较电路230的第二输入端。

相位比较电路230包括运算放大器OP7、四个电阻R19、R20、R21、R22、两个基纳二极管Z1、Z2；相位比较电路的第一输入端通过R19与运算放大器OP7的反相输入端连接；

相位比较电路的第二输入端通过R20与运算放大器OP7的同相输入端连接；

运算放大器OP7的输出端通过R21与相位比较电路的输出端连接；

R22连接在相位比较电路的第一输入端与相位比较电路输出端之间；

基纳二极管Z1与Z2反向串联，接在相位比较电路的输出端与接地电位之间；基纳二极管Z1的阳极与相位比较电路的输出端连接，基纳二极管Z2的阴极与相位比较电路的输出端连接。

第一正向导通电路213中的二极管D1输出的脉冲信号使得运算放大器OP7进入低电位状态，使得相位判别器204的输出为负的基纳二极管Z1电压，而经过第二正向导通电路223中的二极管D2输出的脉冲信号使得运算放大器OP7进入高电位状态，使得相位判别器204的输出为正的基纳二极管Z1电压，基纳二极管Z1、Z2的基纳电压相同，运算放大器OP7输出的正负电压振幅都一样。

若第一电压跟随器103与第二电压跟随器104的输出信号为同相时，相位判别器230的输出信号为对称的方波；若第一电压跟随器103的输出信号相位领先于第二电压跟随器104的输出信号，运算放大器OP7处于低电位的时间较长，使得相位判别器230的输出信号为负电压较长的不对称方波；若第一电压跟随器103的输出信号相位落后于第二电压跟随器104的输出信号，运算放大器OP7处于高电位的时间较长，使得相位判别器230的输出信号为正电压较长的不对称方波。

图4为本发明一个实施例的低通滤波器结构示意图，如图4所示，低通滤波器30包括二阶低通滤波器301和一阶低通滤波器302和电压保护电路；

所述二阶低通滤波器301与所述一阶低通滤波器302串联；二阶低通滤波器由一个运算放大器OP8，三个电阻R23、R24、R25，两个电容C3、C4构成；一阶低通滤波器为RC滤波器，由一个电阻R26和一个电容C5构成;所述电压保护电路由两个反向串联的基纳二极管Z3和Z4构成，其连接在低通滤波器30的输出端与接地电位之间。

二阶低通滤波器301将相位判别器230的输出信号滤除高频噪声，经电阻R26、电容C5组合的一阶低通滤波器302再次平整，基纳二极管Z3、Z4使输出的电压振幅限制在基纳电压的大小。

若相位判别器230的输出信号为对称的方波，由于正半周与负半周的时间相同，低通滤波器30的输出电压为零。若正半周时间较长的不对称方波，低通滤波器30的输出电压为正。若负半周时间较长的不对称方波，低通滤波器30的输出电压为负。

图5为本发明一个实施例的直流马达正反转控制器结构示意图，如图5所示，直流马达正反转控制器40包括：第一晶体管Q1与第二晶体管Q2、第一电源B1、第二电源B2；第一晶体管Q1与第二晶体管Q2分别为NPN与PNP型功率放大晶体管，第一晶体管Q1的基极通过一电阻R27与低通滤波器30的输出端连接，第二晶体管Q2的基极通过一电阻R28与低通滤波器30的输出端连接，电阻R27、R28做为限制电流之用；第一晶体管Q1与第二晶体管Q2，形成一个推挽式B类功率放大器；第一晶体管Q1的发射极与第二晶体管Q2的发射极连接；第一晶体管Q1的发射极与第二晶体管Q2的发射极的节点与直流马达M的一端连接；第一晶体管Q1的集电极与第一电源B1的正极连接；第一电源B1负极与直流马达M的另一端连接，并与接地电位连接；第二晶体管Q2的集电极与第二电源B2的负极连接；第二电源B2正极与直流马达M的另一端连接。第一晶体管Q1与第二晶体管Q2不对称时，可调整限流电阻R27、R28的大小。电池B1与电池B2为提供直流马达M正反转的电源。

若低通滤波器30的输出电压为零，由于第一晶体管Q1与第二晶体管Q2不导通的状态，而没有电流流通直流马达M。若低通滤波器30的输出电压为正时，第一晶体管Q1导通与第二晶体管Q2不导通的状态，产生正电流流通而使直流马达M正转，若低通滤波器30的输出电压为负时，第一晶体管Q1不导通与第二晶体管Q2导通的状态，产生负电流流通而使直流马达M反转。

图6为本发明一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的方法的一实施例示意图，如图6所示，本发明一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的方法，用以实现将步进马达的控制信号转换为直流马达控制信号，所述方法可以用本发明的转换电路来实现，然而此一实施例并不是本发明所述方法的唯一实施例。此外，倘若大体上可达到相同的结果，并不需要一定照图6所示的流程中的步骤顺序，亦即其他步骤亦可插入。所述方法包含有下列步骤：

步骤一、将步进马达四相循环脉冲信号中的A时序信号与反A时序信号、B时序信号与反B时序信号的电压值进行比较，产生具有前后时序的两相方波信号；

步骤二、将所述两相方波信号的相位进行比较以输出一正负脉冲信号；

步骤三、将所述正负脉冲信号进行低通滤波；

步骤四、用经过低通滤波的正负脉冲信号驱动直流马达正转或反转。

本专利揭露一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的转换电路及其方法，可以实现将控制步进马达的数字信号经过转换电路产生模拟信号来驱动直流马达的正反转，使直流马达产生定位的效果；进而在打印的喷头系统中有效的用直流马达替代供料的进出装置。本专利扩充其使用范围至模拟信号控制，让使用者可以在很短的时间内设计并输出立体结构，包括汽机车零件如引擎活塞、各种手工具扳手、巴黎铁塔、自由女神等应用非常广泛。

以上所述实施步骤和方法仅仅表达了本发明的一种实施方式，描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。在不脱离本发明专利构思的前提下，所作的变形和改进应当都属于本发明专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的转换电路，其特征在于：包括：

步进马达信号撷取器，其对步进马达四相循环脉冲信号中的A时序信号与反A时序信号、B时序信号与反B时序信号的电压值进行比较，产生具有前后时序的两相方波信号；

相位判别器，其对两相方波信号的相位的进行比较以输出一正负脉冲信号；

低通滤波器，其对正负脉冲信号进行低通滤波，输出稳定的正负脉冲信号；

直流马达正反转控制器，其根据所述低通滤波器输出的正负脉冲信号驱动直流马达正转或反转；

所述步进马达信号撷取器包括：

第一比较器，用于接收A时序信号与反A时序信号，根据A时序信号与反A时序信号的电压比较结果，使得输出的第一方波信号为正电位、负电位或零电位；

第二比较器，用于接收B时序信号与反B时序信号，根据B时序信号与反B时序信号的电压比较结果，使得输出的第二方波信号为正电位、负电位或零电位；

第一电压跟随器，其对所述第一比较器输出的第一方波信号进行缓冲后输出第一方波信号至所述相位判别器；

第二电压跟随器，其对所述第二比较器输出的第二方波信号进行缓冲后输出第二方波信号至所述相位判别器。

2.根据权利要求1所述一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的转换电路，其特征在于：

所述相位判别器包括：

第一预处理电路、第二预处理电路和相位比较电路；

所述第一预处理电路包括：正相迟滞比较器、第一微分电路、第一正向导通电路；

所述正相迟滞比较器、第一微分电路和第一正向导通电路依次成电路连接；

所述正相迟滞比较器，其对所述第一电压跟随器输出的第一方波信号进行噪声干扰的滤除，输出稳定的第一方波信号；

所述第一微分电路，其接收稳定的第一方波信号并输出尖锐的第一微分脉冲信号；

所述第一正向导通电路，其对第一微分脉冲信号进行负向脉冲信号滤波处理，输出仅保留正向脉冲信号的第一微分脉冲信号；

所述第一正向导通电路的输出端即为所述第一预处理电路的输出端；

所述第二预处理电路包括：反相迟滞比较器、第二微分电路和第二正向导通电路；

所述反相迟滞比较器、第二微分电路、第二正向导通电路依次成电路连接；

所述反相迟滞比较器，其对所述第二电压跟随器输出的第二方波信号进行噪声干扰的滤除以及反相处理，输出反相且稳定的第二方波信号；

所述第二微分电路，其接收反相且稳定的第二方波信号并输出尖锐的第二微分脉冲信号；

所述第二正向导通电路，其对第二微分脉冲信号进行负向脉冲信号滤波处理，输出仅保留正向脉冲信号的第二微分脉冲信号；

所述第二正向导通电路的输出端即为所述第二预处理电路的输出端；

所述相位比较电路，用于接收所述第一预处理电路的输出信号和所述第二预处理电路的输出信号，对所述第一预处理电路的输出信号和所述第二预处理电路的输出信号的相位进行比较，输出正负周期对称的脉冲信号或正负周期不对称脉冲信号。

3.根据权利要求2所述一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的转换电路，其特征在于：所述相位比较电路包括运算放大器OP7、四个电阻R19、R20、R21、R22、两个基纳二极管Z1、Z2；

所述相位比较电路的第一输入端通过所述电阻R19与所述运算放大器OP7的反相输入端连接；

所述相位比较电路的第二输入端通过所述电阻R20与所述运算放大器OP7的同相输入端连接；

所述运算放大器OP7的输出端通过所述电阻R21与所述相位比较电路的输出端连接；

所述电阻R22连接在所述相位比较电路的第二输入端与所述相位比较电路输出端之间；

所述基纳二极管Z1与Z2反向串联，接在所述相位比较电路的输出端与接地电位之间；所述基纳二极管Z1的阳极与所述相位比较电路的输出端连接，所述基纳二极管Z2的阴极与所述相位比较电路的输出端连接。

4.根据权利要求1所述一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的转换电路，其特征在于：

所述低通滤波器包括二阶低通滤波器和一阶低通滤波器；

所述二阶低通滤波器与所述一阶低通滤波器依次成电路连接；

将所述相位判别器输出信号分别通过所述二阶滤波器和所述一阶低通滤波器输出至所述直流马达正反转控制器。

5.根据权利要求1所述一种利用步进马达控制信号驱动直流马达的转换电路，其特征在于：

所述直流马达正反转控制器包括：第一晶体管与第二晶体管、第一电源、第二电源；

所述第一晶体管的基极和所述第二晶体管的基极分别通过一电阻与所述低通滤波器的输出端连接；

所述第一晶体管的发射极与所述第二晶体管的发射极连接；

所述第一晶体管的发射极与所述第二晶体管的发射极的节点与直流马达的一端连接；

所述第一晶体管的集电极与所述第一电源的正极连接；

所述第一电源负极与直流马达的另一端连接，并与接地电位连接；

所述第二晶体管的集电极与所述第二电源的负极连接；

所述第二电源正极与直流马达的另一端连接。

6.一种3D打印机喷头控制电路，包括主电路和步进马达信号控制直流马达的转换电路，特征在于：所述步进马达信号控制直流马达的转换电路为权利要求1至3中任一项所述利用步进马达信号驱动直流马达的转换电路。