CN103929105A - 新型单个微控制器控制多个步进电机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型单个微控制器控制多个步进电机系统，该系统包括微控制器、限位传感器读取电路、电机驱动电路、编码器读取电路、步进电机、光学相位差编码器和光电遮断限位传感器；所述限位传感器读取电路、电机驱动电路和编码器读取电路分别连接在微控制器上；所述步进电机分别连接在电机驱动电路上，所述光电遮断限位传感器分别连接在限位传感器读取电路上，所述光学相位差编码器分别连接在编码器读取电路上。本发明提供了一种由数字成像系统中单个微控制器控制的多个步进电机或控制处于线性台平移的步进电机的控制系统。

Description

新型单个微控制器控制多个步进电机系统

技术领域

本发明涉及一种用于准确定位和同步动作的微控制器控制步进电机的系统，尤其是一种由数字成像系统中单个微控制器控制的多个步进电机或控制处于线性台平移的步进电机的控制系统。

背景技术

利用数字信号控制的步进电机在很多设备和低级仪器中被广泛使用。步进电机的速度，方向等一些重要参数都可以用数字信号来控制。它的工作原理是通过适当的电流以一定顺序去激励电机绕阻的两个线圈，一旦顺序正确，电机轴转动会带动磁感应的产生，以正确的顺序提供适量电流的过程由中继器电路完成，这个电路将一个控制设备（如：微控制器）到线圈的电流的一系列的数字脉冲转换成所期望的顺序通过一个激励电路提供给电机绕阻。

步进电机经常用于在电机轴上的机械连接的导螺杆和滑块系统上，用来提供线性运动。在一些实际应用中（如：数字病理图像系统），精密的线性运动是必须的，并且需要基于线性台平移的步进电机。

数字病理学是扫描病理学载玻片，并在数字病理学系统类似数字切片扫描仪或者自动扫描成像系统的显微镜等的帮助下将其转换成高分辨率数字图像，取放切片是通过机械运动比如切片夹具和用于运送切片的盒子配合来将切片置于扫描区域中或是移出扫描区域。为了增加切片装载系统可扩展性，即插即用模块的加入，可使在原来基础上增加切片可承载数量。在扫描过程中的载玻片可以像在X和Y轴多个轴移动到感兴趣的区域或是根据各种期望的倍率的物镜来进行扫描。为了能准确对焦，是由多个轴移动来实现的。所有这些动作是自动的，并且需要进行精细的校对，用于精确定位托架位置和切片的准确扫描。

所以需要一种能够由单个微控制器控制的多个处在线性台平移的步进电机用于实现所描述的准确定位和同步动作的系统。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种由数字成像系统中单个微控制器控制的多个步进电机或控制处于线性台平移的步进电机的控制系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新型单个微控制器控制多个步进电机系统，该系统包括微控制器、限位传感器读取电路、电机驱动电路、编码器读取电路、步进电机、光学相位差编码器和光电遮断限位传感器；所述限位传感器读取电路、电机驱动电路和编码器读取电路分别连接在微控制器上；所述步进电机分别连接在电机驱动电路上，所述光电遮断限位传感器分别连接在限位传感器读取电路上，所述光学相位差编码器分别连接在编码器读取电路上。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述的电机驱动电路包括锁存器电路、步进电机驱动器和电机，所述锁存器电路与步进电机驱动器连接，所述步进电机驱动器与电机。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述编码器读取电路包括读取模块和编码器，所述编码器与读取模块连接。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述限位传感器读取电路包括锁存器和数字传感器反馈，所述锁存器与数字传感器反馈连接。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述微控制器上还连接有锁存器选择逻辑和脉冲信号。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述微控制器上还连接有编码器选择逻辑。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述微控制器上还连接有锁存器选择逻辑。

本发明的有益效果：本发明解决了背景技术中存在的缺陷，通过微控制器、限位传感器读取电路、电机驱动电路、编码器读取电路、步进电机、光学相位差编码器和光电遮断限位传感器的连接设置，将微控制器引脚分时复用，大大提高了微控制器的使用率和工作效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的优选实施例的结构示意图；

图2为电机驱动电路结构示意图；

图3为编码器读取电路结构示意图；

图4为限位传感器读取电路结构示意图；

具体实施方式

如图1-4所示，一种新型单个微控制器控制多个步进电机系统，该系统包括微控制器151，限位传感器读取电路132，电机驱动电路131，编码器读取电路133，步进电机101、102、103、104、105，光学相位差编码器111、112、113、114、115和光电遮断限位传感器121、122、123、124、125；所述限位传感器读取电路132、电机驱动电路131和编码器读取电路133分别连接在微控制器151上；所述步进电机101、102、103、104、105分别连接在电机驱动电路131上，所述光电遮断限位传感器121、122、123、124、125分别连接在限位传感器读取电路132上，所述光学相位差编码器111、112、113、114、115分别连接在编码器读取电路133上。

所述的电机驱动电路131）包括锁存器电路221、222、223、224、225，步进电机驱动器211、212、213、214、215和电机201、202、203、204、205，所述锁存器电路221、222、223、224、225与步进电机驱动器211、212、213、214、215连接，所述步进电机驱动器211、212、213、214、215与电机201、202、203、204、205。所述编码器读取电路133包括读取模块311、312、313、314、315和编码器301、302、303、304、305，所述编码器301、302、303、304、305与读取模块311、312、313、314、315连接。所述限位传感器读取电路132包括锁存器411、412、413和数字传感器反馈401、402、403，所述锁存器411、412、413与数字传感器反馈401、402、403连接。

所述微控制器151上还连接有锁存器选择逻辑231和脉冲信号230。所述微控制器151上还连接有编码器选择逻辑321。所述微控制器151上还连接有锁存器选择逻辑421。

如图1所示的方案中，每个阶段基于线性台的五个步进电机101、102、103、104、105是使用光学相位差编码器111、112、113、114、115和一组光电遮断限位传感器121、122、123、124、125相关联。

有五个步进电机101、102、103、104、105和每个绕阻都连接到相应的步进电机驱动器211、212、213、214、215的输出端的电机201、202、203、204、205。这些步进电机驱动器211、212、213、214、215由一个微控制器151驱动。

每一组光电遮断限位传感器121、122、123、124、125都有三个限位传感器连接，对于步进电机，这些传感器提供反馈机动阶段位置和充当正限位，负限位和原点限位。数字逻辑电平0/1（0/5伏特）的形式由这些传感器提供输出，并通过一个限位传感器读取电路132反馈到微控制器151。

正交编码器与电机轴相关联，并提供三个同步数字脉冲信号A，B和Z作为输出。当A和B的脉冲相对于彼此保持90度的相位，就可以被同时读取电机轴的位置或线性台的位置。Z脉冲是索引脉冲，标志着在电机轴完整的旋转。当电机/线性台在运动中，读取编码器的状态，相应计数器不断地更新电机的位置。编码器输出（A，B和Z）的脉冲信号被输入到编码器读取电路133中，（对应于每个编码器的五个电路），它是基于一个32位正交计数器集成电路。此集成电路通过连续采样A，B和Z脉冲，并更新其计数器来跟踪电机的位置。由微控制器通过一个串行外围设备接口（SPI）来读取正交编码器集成电路的计数器值。

在给出的大量的各种模块（五个编码器模块，五个电机驱动模块，限位传感器和其他传感器的几条线）及微控制器的有限数量输入/输出引脚的数字线路，这些数字线路复用。程序算法/代码设定为所述电机通过逻辑电路同步运行相对应的组件。

本系统使用以下方法来实现步进电机的同步和同步运动：

图2显示了电机驱动电路（图1中）131的内部原理图。每个电机201、202、203、204、205中的一个连接至相应的步进电机驱动器211、212、213、214、215。这些驱动器是彼此相同的并且基于现成的中继驱动器集成电路。该集成电路是由微控制器151发出的逻辑控制信号控制，例如由三个数字信号控制的微步进模式，一个用于控制方向（顺时针/逆时针），一个用于步进脉冲，一个用来激活/启用集成电路等。

首先运行的电机需要初始化控制信号的状态，然后开始发送以预先决定频率（由所要求的速度决定）的脉冲。

在目前的方法中，所有可用于所有的电机驱动集成电路的控制信号已经被复用，即只有一个微控制器的输出引脚用于设置/复位一个电机驱动控制信号，除了脉冲信号。因此，在实例中的8个控制信号（方向，微步进模式，启用休眠模式等），八个微控制器151引脚都已经被占用。

所有的脉冲信号230，被直接连接到对应的步进驱动器211、212、213、214、215集成电路的引脚上。

控制信号通过相应的锁存器电路221、222、223、224、225连接到步进电机驱动器211、212、213、214、215中相应的管脚。这些锁存器集成电路，在其默认状态下，分离的复用信号由微控制器端向电机驱动器端发送。

为了驱动电机，微控制器151，加载在其引脚对应的控制信号，然后通过锁存器选择逻辑231选择对应的锁存器223，因此，该控制信号立即被耦合到对应的步进电机驱动器213中。此时，锁存器被再次恢复到其默认状态和步进电机驱动器213以便再次分离到微控制器151的控制信号。

一旦达到特定步进电机驱动器213的控制状态设置，微控制器151可以开始申请在相应的引脚上发送相应的脉冲信号230来驱动步进电机。

要运行多个步进电机可以采用同样的方法。两个脉冲信号之间，用时间延迟来改变微控制器151的控制引脚的状态，并且将他们状态锁定到相应的步进电机驱动器中等。

不同电机之间的脉冲信号通过基于预先设置好的时间间隔产生中断来控制不同的电机。

如图3所示，在输出的电路中，所有编码器301、302、303、304、305产生A，B和Z脉冲信号的编码器连接到其相应的读取模块311、312、313、314、315中，每个模块中装有一个32位计数器集成电路。

该微控制器151，通过串行外设接口（SPI）通信协议与计数器芯片通信。SPI使用“主入从出“（MISO），”主出从入“（MOSI）和“时钟”（CLK）三个复用线来传输微控制器和所有计数器芯片之间的数据。

为了读取来自任何计数器电路中的数据或设置任何计数器电路模式，微控制器151使用一个编码器选择逻辑321来选择相应的编码器读取电路。

类似的方法，在电机驱动器电路131和编码器读取电路133中，已经通过读取范围和其他传感器的数字反馈。正如图4所示，所有的限位传感器的输出被存在3组每组8个数字线路中，经过3个锁存器411、412、413送入微控制器151。

通过一个锁存器选择逻辑421，任何给定的一组数字传感器401、402、403反馈可以由微控制器151读出。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种新型单个微控制器控制多个步进电机系统，其特征在于：该系统包括微控制器（151），限位传感器读取电路（132），电机驱动电路（131），编码器读取电路（133），步进电机（101、102、103、104、105），光学相位差编码器(111、112、113、114、115)和光电遮断限位传感器（121、122、123、124、125）；所述限位传感器读取电路（132）、电机驱动电路（131）和编码器读取电路（133）分别连接在微控制器（151）上；所述步进电机（101、102、103、104、105）分别连接在电机驱动电路（131）上，所述光电遮断限位传感器（121、122、123、124、125）分别连接在限位传感器读取电路（132）上，所述光学相位差编码器(111、112、113、114、115)分别连接在编码器读取电路（133）上。

2.根据权利要求1所述的新型单个微控制器控制多个步进电机系统，其特征在于：所述的电机驱动电路（131）包括锁存器电路（221、222、223、224、225），步进电机驱动器（211、212、213、214、215）和电机（201、202、203、204、205），所述锁存器电路（221、222、223、224、225）与步进电机驱动器（211、212、213、214、215）连接，所述步进电机驱动器（211、212、213、214、215）与电机（201、202、203、204、205）。

3.根据权利要求1所述的新型单个微控制器控制多个步进电机系统，其特征在于：所述编码器读取电路（133）包括读取模块（311、312、313、314、315）和编码器（301、302、303、304、305），所述编码器（301、302、303、304、305）与读取模块（311、312、313、314、315）连接。

4.根据权利要求1所述的新型单个微控制器控制多个步进电机系统，其特征在于：所述限位传感器读取电路（132）包括锁存器（411、412、413）和数字传感器反馈（401、402、403），所述锁存器（411、412、413）与数字传感器反馈（401、402、403）连接。

5.根据权利要求2所述的新型单个微控制器控制多个步进电机系统，其特征在于：所述微控制器（151）上还连接有锁存器选择逻辑（231）和脉冲信号（230）。

6.根据权利要求3所述的新型单个微控制器控制多个步进电机系统，其特征在于：所述微控制器（151）上还连接有编码器选择逻辑（321）。

7.根据权利要求4所述的新型单个微控制器控制多个步进电机系统，其特征在于：所述微控制器（151）上还连接有锁存器选择逻辑（421）。