CN104660127A - 一种步进电机控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进电机控制器及其控制方法，涉及步进电机控制技术领域，步进电机控制器包括电源隔离模块，通讯与命令处理模块，数字控制模块，用于对所述上位机的命令进行处理后控制步进电机动作，信号隔离模块，功率放大模块。本发明的有益效果：通讯接口丰富，支持RS232、RS485/CAN、I2C、SPI和PULSE等控制接口，上位机可任选其中一种接口进行连接控制；实现多台远程控制，一台上位机可通过RS485/CAN总线串行连接多台步进电机控制器，并对其中任意一台步进电机控制器进行实时控制。通过数字控制模块实现自动控制电机匀加速匀减速运动，使得与步进电机连接的机械系统更加平滑，减小振动冲击。

Description

一种步进电机控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电机控制技术领域，特别涉及一种步进电机控制器及其控制方法。

背景技术

步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制元件，在工业生产中，步进电机被广泛用于各种精密运动机构中，完成系统的位置控制功能。步进电机运行过程中面临的主要问题有振动、过热和失步等，需要通过控制器采用细分、电流衰减、闭环控制等技术手段来解决。对步进电机的控制和驱动，目前大多采用单片机结合专用驱动芯片的方式，或者采用DSP芯片结合专用驱动芯片方式，或者采用FPGA结合专用驱动芯片的方式。

公告号为03129924.5，名称为“全数字细分型高精度步进电机控制器”的发明专利，使用美国TI公司的DSP作为主控芯片，配合使用大量的滤波、模数转换等IC，很明显方案成本太高不适合普及使用。另外，该发明专利的通讯单元上也没有设计相关的配置接口，无法实现工业级的多地址串联控制。

申请号为201010280597.1，名称为“步进电机驱动器”的发明专利，使用单片机作为主控芯片，配合使用美国Allegro公司的A3977电机驱动芯片，同样具有方案成本高的缺陷，而且没有电流自动衰减、过热保护、闭环控制等功能。

公告号为00253539，名称为“小型步进电机控制器”的实用新型专利，使用单片机作为主控芯片，具有网络通讯接口，但是控制方案太过于简单，缺乏闭环控制、电流衰减、过热保护等功能；电机驱动电路采用光耦、MOSFET、串联电阻实现，驱动能力较弱，控制器也没有提供动态参数配置接口。

申请号为200920213892.8的“一种步进电机控制器”实用新型专利，采用FPGA作为主控芯片，配合使用比较器驱动步进电机，不难看出该方案具有成本高，灵活性差，驱动能力小等缺陷，而且该方案采用按键方式控制，没有网络通讯接口及配置接口，不适合工业级用途。

综上所述，有必要设计一种低成本、不依赖进口驱动芯片、具备多种通讯接口、可动态实时配置、具备电流闭环控制、位置闭环控制、可存储执行用户自定义程序等功能的细分步进电机控制器，以解决上述问题。

发明内容

本发明是为了克服现有技术的不足，满足各种工业应用需求，提出一种步进电机控制器及其控制方法，具备丰富的通讯接口，体积小和成本低，能实现步进电机自动匀加速或匀减速的功能。

本发明通过以下技术方案解决上述问题：

本发明提供了一种步进电机控制器，包括

电源隔离模块，用于隔离电源和各个模块；

通讯与命令处理模块，包括选择器、通讯接口和命令处理模块，通过通讯接口实现上位机与数字控制模块的通信，并对上位机的命令进行配置处理；

数字控制模块，包括EEPROM和MCU，用于对上位机的命令进行处理后控制步进电机动作；

信号隔离模块，用于消除所述通讯接口信号、电源功率电路和步进电机对所述数字控制模块的干扰；

功率放大模块，用于实现对所述数字控制模块输出的调制信号进行功率放大，输出设定的电流值到电机绕组。

进一步，所述功率放大模块包括输入电路、电流反馈电路和H桥电路，所述输入电路与H桥电路连接，所述H桥电路与电流反馈电路连接。

进一步，所述功率放大模块包括输入电路、电流反馈电路和H桥电路，所述H桥电路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、第一快速二极管、第二快速二极管、第三快速二极管、第四快速二极管，所述第一三极管和第二三极管为NPN型晶体管，所述第三三极管和第四三极管为PNP型晶体管，所述第一三极管的集电极分别与第三快速二极管的阴极、第二快速二极管的阴极和第二三极管的集电极连接并与电源正极连接，所述第一三极管的发射极分别与第三快速二极管的阳极、第三三极管的发射极和第四快速二极管的阴极连接，所述第二三极管的发射极分别与第二快速二极管的阳极、第四三极管的发射极和第一快速二极管的阴极连接，所述第三三极管的集电极与第四三极管的集电极之间连接步进电机的一相绕组。

进一步，H桥电路包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一快速二极管、第二快速二极管、第三快速二极管和第四快速二极管，所述第一NMOS管的漏极连接电源正极，所述第一NMOS管栅极连接H桥驱动电路的输出端，所述第一NMOS管源极连接第三快速二极管的阳极，所述第二NMOS管的漏极连接电源正极，所述第二NMOS管的栅极连接H桥驱动电路的输出端，所述第二NMOS管源极连接第二快速二极管的阳极，所述第三NMOS管的漏极分别与第一NMOS管的源极和第四快速二极管的阴极连接，所述第三NMOS管栅极连接H桥驱动电路输出端，所述第四NMOS管漏极分别与第二NMOS管的源极和第一快速二极管的阴极连接，所述第四NMOS管栅极连接H桥驱动电路输出端，所述第四NMOS管的源极与第一NMOS管的源极之间连接步进电机的一相绕组。

进一步，所述通讯接口包括RS232、RS485/CAN、RS422、I2C、SPI、PULSE、两个紧急停车输入接口和四个通用输入输出口形成开环模式下的上下限位控制及闭环模式下的编码器位置反馈输入，所述上位机实时配置每个端口方向和电平值。

本发明还包括一种步进电机控制器的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，步进电机控制器上电后检测通讯接口的选择设置；

步骤二，根据所述通讯接口的设置进行初始化变量和初始I/O口；

步骤三，等待上位机发出配置命令或步进命令，发出配置命令则执行步骤四，发出步进命令则执行步骤五；

步骤四，数字控制模块进入配置子程序，对控制参数进行修改并写入EEPROM；

步骤五，数字控制模块进入步进命令，配置PWM参数；

步骤六，根据所述配置PWM参数，数字控制模块检测步进电机当前的位置信息，执行动态实时配置的匀加速或匀减速控制步骤。

进一步，所述步骤四中的配置命令包括用户自定义指令程序，所述用户自定义指令程序通过所述通讯与命令处理模块写入EEPROM中，所述步进电机控制器在开机时自动选择自动执行用户自定义指令程序，实现步进电机控制器脱离上位机自动执行用户自定义指令程序，具体步骤包括：

S401：所述步进电机控制器在开机时自动选择一种接口与上位机通讯；

S402：用户通过自定义指令集中的命令向所述步进电机控制器写入自定义指令程序；

S403：所述步进电机控制器将用户自定义指令程序存储在EEPROM中；

S404：所述步进电机控制器再次开机，自动选择执行用户自定义指令程序模式；

S405：所述步进电机控制器自动执行用户自定义指令程序，所述用户自定义程序包含步进电机控制器配置参数、IO端口读写和步进电机运动控制程序。

进一步，所述步骤六中的动态实时配置的匀加速或匀减速的控制过程，具体步骤：

S601：设定步进电机的运动速度v_max，将步进电机的每个步进位置或细分位置设为速度参考点，设转动第一步时的速度为v₀，线性加速比率为a，则第n步时的速度v_n＝a^(n-1)*v₀；

S602：设定步进电机的步进数steps，则从0加速到v_max所需要的步进数为steps_max，steps_max＝log_a(v_max/v₀)+1；

S603：判断所述速度增大所需要的步进数steps_max与设定步进电机步进数steps的大小，若steps_max小于steps，则当steps_max＝0.5*steps，初始化计数器v_cnt；当steps_max大于steps，则初始化计数器v_cnt；

S604：初始化计数器v_cnt后，速度v_cur清零，进入匀加速阶段，使其在每次步进运动后v_cur1＝v_cur0*a，其中，速度v_cur1为步进电机运动后的速度，v_cur0为步进电机初始速度，计数器v_cnt根据所述设定步进电机步进数steps递增；

S605：当所述速度增大所需要的步进数steps_max与设定步进电机步进数steps相等，则执行S606，若所述速度增大所需要的步进数steps_max与设定步进电机步进数steps不相等，则返回执行S604；

S606：进入匀速阶段，速度v_cur不变；

S607：计算出剩余的步进数steps_max；

S608：进入匀加速或匀减速阶段，使其在每次步进指令后赋值v_cur1＝v_cur0/a，当速度v_cur的值到达用户的设定速度后维持不变，计数器v_cnt根据设定步进电机步进数steps递增，完成匀加速或匀减速过程。

进一步，在所述步骤六之后还包括步骤七：动态实时配置的自动电流衰减控制。

进一步，所述步骤七，动态实时配置的自动电流衰减控制步骤具体包括：

S701：步进电机控制器执行完上一个步进命令后，设定定时时间后启动定时器；

S702：所述定时器设定的定时时间结束后，步进电机控制器执行自动降低相电流，且每相电流按同等比例衰减，以保持电机的转子位置不变；

S703：检测到下一个步进命令时，步进电机控制器自动恢复到正常电流值；

S704：返回S701，重复执行S701至S704。

进一步，所述步骤七之后包括步骤八：

步进电机的相电流值通过通讯与命令处理模块动态设置，实现对电流的闭环控制，其具体步骤包括：

S801：所述上位机通过通讯与命令处理模块下达电流设置命令，设定电流值；

S802：所述数字控制模块根据所述电流值计算后输出PWM信号到所述功率放大模块；

S803：所述功率放大模块中的电流反馈电路实时反馈当前电流值；

S804：所述数字控制模块对电流电路反馈的值进行A/D转换、放大后与设定值进行比较，根据比较结果调节PWM的占空比，如果检测到短路过热则直接输出低电平PWM信号；

S805：数字控制模块根据比较的结果输出调整后的PWM信号到功率放大模块。

本发明的有益效果：

本发明的步进电机控制器具备高度的使用灵活性，上位机可通过一套精简指令集动态配置速度、加速度、电流、细分、力矩模式、自动衰减、IO端口等，并可脱机自动运行用户自定义程序。由于采用常用的电子元件来实现H桥驱动电路，控制器的供电范围可以从6V-36V，支持更宽的电压范围。无需采用进口电机驱动芯片或H桥芯片，成本低，并且具有体积小并可直接安装在42型步进电机后盖上。外部通讯接口丰富，支持RS232、RS485/CAN、I2C、SPI和PULSE等控制接口，上位机可任选其中一种接口进行连接控制；实现多台远程控制，一台上位机可通过RS485/CAN总线串行连接多台步进电机控制器，并对其中任意一台步进电机控制器进行实时控制。

步进电机控制器具有自动匀加速或匀减速控制功能，使得步进电机和相连机械系统的运动更加平滑，减小了振动冲击。

支持电流闭环控制、电流自动衰减、紧急停车等功能，减少了步进电机的热功率损耗，提高了系统在故障工况下的自我保护能力。

步进电机控制器的控制方法中用户可通过指令集自定义指令程序，并将自定义指令程序存储在步进电机控制器的EEPROM中，步进电机控制器在开机时可自动选择执行用户自定义指令程序，在指令比较简单的情况下，实现步进电机控制器脱离上位机自动执行用户自定义指令程序，实现离线自动运行的功能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明步进电机控制器的数字控制模块软件实现的主流程图；

图3为本发明的步进电机控制器功率放大电路的一实施例电路图；

图4为本发明的步进电机控制器功率放大电路的另一实施例电路图；

图5为本发明的步进电机控制方法的自动匀加速或匀减速控制的流程图；

图6为本发明的步进电机控制方法的全力矩模式下相位与力矩的关系图；

图7为本发明的步进电机控制方法的全力矩模式下电气角与力矩的关系图；

图8本发明的步进电机控制方法的全力矩模式下计算A、B相电流的流程图；

图9为本发明的步进电机控制方法的自动电流衰减控制的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明的步进电机控制器，包括电源模块、电源隔离模块、通讯与命令处理模块、数字控制模块、信号隔离模块和功率放大模块，电源分别与电源隔离模块和功率放大模块连接，通讯与命令处理模块、数字控制模块、信号隔离模块和功率放大模块顺次连接。上位机可对步进电机控制器进行指令控制，上位机与通讯与命令处理模块连接，功率放大模块与步进电机连接。电源隔离模块用于隔离电源和各个模块，降低从电源引入的干扰，提高步进电机控制器的抗干扰能力。电源模块将6～36V的直流电压经过稳压滤波后送给功率放大模块，并转换出5V的直流电压经过电源隔离模块分别给通讯与命令处理模块、数字控制模块、信号隔离模块提供电源；电压模块采用78M05芯片或其他同类芯片，电源隔离模块采用B0505LS芯片或其他同类芯片。

通讯与命令处理模块，用于实现上位机与数字控制模块的通信，并对上位机的命令进行配置处理。通讯与命令处理模块硬件包括选择器、RS232、RS485/CAN、RS422、I2C、SPI、PULSE六种外部接口，还包括两个紧急停车输入接口和四个通用输入输出端口。步进电机控制器开机上电时通过选择器可选择其中任一接口与数字控制模块连接。当选择RS232接口时，通讯接口采用Max232芯片，用于设置控制器的细分数、相数、驱动模式、地址号等配置项，这些配置项存储在中央处理器的片内EEPROM，控制器掉电后信息不会遗失。当选择RS485/CAN接口时，通讯接口采用SN65176/MCP2551芯片，实现多台远程控制，一台上位机可通过RS485/CAN总线串行连接多台步进电机控制器，并对其中任意一台步进电机控制器进行实时控制。当选择I2C/SPI/PULSE等接口时，通讯接口直接采用MCU的外设管脚。两个紧急停车输入接口，经过电平转换后连接到MCU的外设管脚上，在开环模式下用作上下限位开关输入，一旦检测到停车信号，就锁住步进电机，并暂停数字控制模块和功率放大模块，直到上位机发出解锁命令，在闭环模式下用作编码器的输入信号。四个通用输入输出端口经过光电隔离或∏型滤波后连接到MCU的外设管脚，上位机可通过指令实时配置每个端口方向和电平值，实现对控制器外部设备的控制和状态读取。

通讯与命令处理模块通过软件实现，采用一套配置服务程序和一套指令集。配置服务程序是运行在数字控制模块内部MCU上的软件代码，当选择RS232接口时，该软件代码被激活，上位机可以对数字控制模块的相关参数进行配置，并写入片内EEPROM中；指令集支持除Pulse外的四种外设接口，对命令的解析和响应由运行在数字控制模块内部的软件代码实现，指令集如表1。

命令字符	用途	数据范围	备注
				s(0x73)	转动给定的步数	1～65536
m(0x6d)	设定细分数	0/2/4/8/16/32/64/128
				p(0x70)	设定电机相数	4/8(2*定子对数)
t(0x74)	设定自动加减速使能	0/1
				c(0x63)	读取当前位置	----
d(0x64)	设定转动方向	0：反向，1：正向
				v(0x76)	设定最高转速	1～2000PPS(步/秒)
w(0x77)	写驱动器地址	1～120
				h(0x68)	设定相电流控制使能	0/1
r(0x72)	读加速度系数	----
				e(0x65)	设定最大相电流	600～2000(单位mA)
f(0x66)	设定外部紧急停止使能	0/1/2/3
				n(0x6e)	读取相电流设置	----
k(0x6b)	读取细分数设置	----
				q(0x71)	读取速度设置	----
o(0x6f)	读取电机相数	----

a(0x61)	设定自动电流衰减使能	0/1
				g(0x67)	设置脱机使能	0/1
i(0x69)	设置当前位置	0-0x7fffffff
				j(0x6a)	读控制器状态	Bit[7:0]定义见指令详解
l(0x6c)	清除ext_stop2标志位	----
				b(0x62)	清除ext_stop1标志位
x(0x78)	开始写用户程序	----
				y(0x79)	结束写用户程序	----
u(0x75)	设置加速度系数	2/3/4/5/6

表1指令集

数字控制模块，硬件采用可编程微处理器芯片ATMEGA16或同类芯片，通过运行在微处理器上的软件实现通讯处理、参数配置、步进命令、紧急停车、过热保护、闭环控制等功能，数字控制模块通过软件实现的软件主程序流程图如图2所示；控制器上电后主程序首先检测接口选择配置，然后根据配置初始化变量和I/O口，等待上位机发出命令，如果是配置命令，则进入配置子程序，修改相关控制参数或用户自定义程序，并写入EEPROM中；如果是步进命令，则根据步进命令配置PWM相关参数，如速度、精度等，读取和设置当前位置信息，启动匀加速或匀减速控制子程序，并输出方向、PWM控制信号到功率放大模块，如果配置为闭环控制模式，那么在一个控制周期结束后程序自动跳转到位置信息更新环节。如果设置了电流自动衰减使能，则在步进命令结束后会自动进入电流衰减子程序，在所有的运行状态中，主程序会实时更新当前步进电机的位置和状态供上位机读取，并实时检测控制器输入端口，如果有紧急停止事件输入，会自动锁住步进电机并返回到等待命令状态。数字控制模块还包括电流闭环控制子程序，通过检测功率放大模块反馈的电流值，做A/D转换、放大比较后输出调制信号，用于实现电机绕组的恒流控制及短路过热保护功能。

信号隔离模块用于消除外部接口信号和模拟功率电路，步进电机对数字控制模块的干扰。信号隔离模块可采用光耦、变压器或其他隔离电路，信号隔离模块将数字控制模块的数字信号与功率放大模块的模拟信号进行转换和隔离，模拟信号包括数字调制信号、位置传感信号、过流保护信号等。

功率放大模块，包括脉冲调制信号输入电路、电流反馈电路和两个完全相同的H桥电路，脉冲调制信号输入电路与H桥电路连接。功率放大模块采用常用的电容、电阻和晶体管构成，支持更宽的电压范围，控制器的供电范围在6V～50V，可驱动更多的步进电机，不依赖进口驱动芯片，成本低，体积小，可以直接安装在步进电机的后盖上，一体化程度高，接线数量少，更加整齐美观。

如图3所示电路图为H桥的一种实现电路，其中，H桥电路主要由四个功率三极管和四个快速二极管组成，包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第一快速二极管D1、第二快速二极管D2、第三快速二极管D3、第四快速二极管D4，所述第一三极管和第二三极管Q2为NPN型晶体管，所述第三三极管Q3和第四三极管Q4为PNP型晶体管，所述第一三极管的集电极分别与第三快速二极管D3的阴极、第二快速二极管D2的阴极和第二三极管Q2的集电极连接并与电源正极连接，所述第一三极管的发射极分别与第三快速二极管D3的阳极、第三三极管Q3的发射极和第四快速二极管D4的阴极连接，所述第二三极管Q2的发射极分别与第二快速二极管D2的阳极、第四三极管Q4的发射极和第一快速二极管D1的阴极连接。所述第三三极管Q3的发射极与第四三极管Q4的发射极之间连接步进电机的一相绕组，绕组的电流方向由输入电路中的方向信号DIR_IN控制，当DIR_IN为高电平时，第二三极管Q2和第三三极管Q3组成一个导通回路，输入电路中的PWM信号控制器这一回路的导通频率，当PWM为高电平时电流从电源流经第二三极管Q2到绕组，再经过第三三极管Q3到采样电阻第六电阻R6，然后接地。同理，当DIR_IN为低电平时，第一三极管Q1和第四三极管Q4组成一个导通回路，输入电路中的PWM信号控制器这一回路的导通频率，当PWM为高电平时电流从电源流经第一三极管Q1到绕组，再经过第四三极管Q4到采样电阻第七电阻R7，然后接地。因此，控制器MCU就可以通过改变输入信号DIR_IN的方向和PWM信号的频率来改变电机绕组的电流方向和大小。第一快速二极管D1、第二快速二极管D2、第三快速二极管D3和第四快速二极管D4提供了电机绕组产生反向电动势时的泄放通路。

如图4所示电路图为H桥另一实现电路，所述H桥电路包括第一NMOS管Q1、第二NMOS管Q2、第三NMOS管Q3、第四NMOS管Q4、第一快速二极管D1、第二快速二极管D2、第三快速二极管D3和第四快速二极管D4，所述第一NMOS管Q1的漏极连接电源正极，第一NMOS管Q1栅极连接H桥驱动电路的输出端，第一NMOS管Q1源极连接第三快速二极管D3的阳极，所述第二NMOS管Q2的漏极连接电源正极，第二NMOS管Q2的栅极连接H桥驱动电路的输出端，第二NMOS管Q2源极连接第二快速二极管D2的阳极，第三NMOS管Q3的漏极分别与第一NMOS管Q1的源极和第四快速二极管D4的阴极连接，第三NMOS管Q3栅极连接H桥驱动电路输出端，第四NMOS管Q4漏极分别与第二NMOS管Q2的源极和第一快速二极管D1的阴极连接，第四NMOS管Q4栅极连接H桥驱动电路输出端，第四NMOS管Q4的源极与第一NMOS管Q1的源极之间连接步进电机的一相绕组，绕组的电流方向由输入电路中的方向信号DIR_IN端控制，当DIR_IN端为高电平时，第二NMOS管Q2和第三NMOS管Q3组成一个导通回路，输入电路中的PWM信号控制器这一回路的导通频率，当PWM为高电平时电流从电源流经第二NMOS管Q2到绕组，再经过第三NMOS管Q3到采样电阻R6，然后接地。同理，当DIR_IN端为低电平时，第一NMOS管Q1和第四NMOS管Q4组成一个导通回路，输入电路中的PWM信号控制器这一回路的导通频率，当PWM为高电平时电流从电源流经第一NMOS管Q1到绕组，再经过第四NMOS管Q4到采样电阻第七电阻R7，然后接地。因此，控制器MCU就可以通过改变输入信号DIR_IN端的方向和PWM信号的频率来改变电机绕组的电流方向和大小。第一快速二极管D1、第二快速二极管D2、第三快速二极管D3和第四快速二极管D4提供了电机绕组产生反向电动势时的泄放通路。

本发明还包括一种步进电机控制器的控制方法，包括以下步骤：

步骤一，步进电机控制器上电后检测通讯接口的选择设置；

步骤二，根据所述通讯接口选择设置进行初始化变量和初始I/O口；

步骤三，等待上位机发出配置命令或步进命令，发出配置命令则执行步骤四，发出步进命令则执行步骤五；

步骤四，进入配置子程序，对控制参数进行修改并写入EEPROM；

步骤五，进入步进命令，配置PWM参数；

步骤六，根据所述配置PWM参数，检测步进电机当前的位置信息，执行匀加速或匀减速控制步骤。

步进电机控制器上电后主程序首先检测接口配置，再根据接口配置初始化变量和I/O口，等待上位机发出命令。如果上位机发出的是配置命令，则进入配置子程序，修改相关的控制参数并写入EEPROM中；如果是步进命令，则根据步进命令配置PWM相关参数，包括步进速度、步进精度，加速度、目标位置等参数，然后根据当前位置信息与目标位置的差值，自动进入匀加速或匀减速控制程序，并输出方向信号、PWM控制信号到功率放大模块；如果配置为开环控制模式，当前位置信息由上位机配置输入；如果配置为闭环控制模式，当前位置信息从外部传感器输入，在一个控制周期(即PWM周期)结束后程序自动进行位置检测，更新当前位置数据信息。在所有的控制周期内如果检测到步进电机线圈过热，程序控制进入自动电流衰减子程序，如果检测到紧急停止事件，会自动返回到等待上位机命令步骤。

上述步骤四中的配置命令包括用户自定义指令程序，所述用户自定义指令程序通过所述通讯与命令处理模块写入EEPROM中，所述步进电机控制器在开机时自动选择自动执行用户自定义指令程序，实现步进电机控制器脱离上位机自动执行用户自定义指令程序，具体步骤包括：

S401：所述步进电机控制器在开机时自动选择RS232、RS485、CAN、I2C、SPI等六种接口中的一种接口与上位机通讯；

S402：用户通过自定义指令集中的命令向所述步进电机控制器写入自定义指令程序；

S403：所述步进电机控制器将用户自定义指令程序存储在EEPROM中；

S404：所述步进电机控制器再次开机，步进电机控制器自动选择执行用户自定义指令程序模式；

S405：所述步进电机控制器自动执行用户自定义指令程序，所述用户自定义程序包含步进电机控制器配置细分、转速、加速度、电流大小等参数；I/O端口读写和步进电机运动控制程序。

步进电机控制器的控制方法中用户可通过自定义指令集自定义指令程序，并将自定义指令程序存储在步进电机控制器的EEPROM中，步进电机控制器在开机时可自动选择执行用户自定义指令程序，在指令比较简单的情况下，实现步进电机控制器脱离上位机自动执行用户自定义指令程序，实现离线自动运行的功能。

在现有技术中，对步进电机加速过快，会对电机和与其相连接的器械造成较大的振动冲击，本发明通过对电机配置步进命令，使电机具有匀加速和匀减速的功能，能减少步进电机加速或减速过程中的振动冲击。当用户配置步进命令时，用户通过通讯模块对控制器设定步进速度和步进数后，控制器自动进入匀加速程序，使步进电机的转速从零逐渐提升到用户设定的速度，然后保持该速度运转，控制器内部的计数器单元实时统计剩余的步进数，当到达减速点时，控制器自动启动匀减速程序，使步进电机的转速逐渐从用户设定的速度降低到零。

实现自动匀加速和匀减速的具体过程，如图5所示，设步进电机的每个步进位置(或细分位置)为速度参考点，设转动第1步时的速度为v₀，线性加速比率为a，则第n步时的速度v_n＝a^(n-1)*v₀；设用户设定的速度为v_max，则从0加速到v_max所需要的步进数为steps_max＝log_a(v_max/v₀)+1，用程序实现过程中，首先在控制器上设置一个计数器v_cnt，使其在每个细分周期T后递增，在每次步进指令后清零，然后在控制软件程序上设置一个变量v_cur，其初值表示v_cur0＝v₀，在加速阶段，使其在每次步进运动后v_cur1＝v_cur0*a，在减速阶段，使其在每次步进指令后赋值v_cur1＝v_cur0/a，当v_cur的值到达用户的设定速度后维持不变，最后在每个细分周期T后将v_cnt与v_cur进行比较，如果相等则发出一次步进指令。

实现动态实时配置的匀加速或匀减速的控制过程，具体步骤：

S601：设定步进电机的运动速度v_max，将步进电机的每个步进位置或细分位置设为速度参考点，设转动第一步时的速度为v₀，线性加速比率为a，则第n步时的速度v_n＝a^(n-1)*v₀；

S602：设定步进电机的步进数steps，则从0加速到v_max所需要的步进数为steps_max，steps_max＝log_a(v_max/v₀)+1；

S603：判断所述速度增大所需要的步进数steps_max与设定步进电机步进数steps的大小，若steps_max小于steps，则当steps_max＝0.5*steps，初始化计数器v_cnt；当steps_max大于steps，则初始化计数器v_cnt；

S604：初始化计数器v_cnt后，速度v_cur清零，进入匀加速阶段，使其在每次步进运动后v_cur1＝v_cur0*a，其中，速度v_cur1为步进电机运动后的速度，v_cur0为步进电机初始速度，计数器v_cnt根据所述设定步进电机步进数steps递增；

S605：当所述速度增大所需要的步进数steps_max与设定步进电机步进数steps相等，则执行S606，若所述速度增大所需要的步进数steps_max与设定步进电机步进数steps不相等，则返回执行S604；

S606：进入匀速阶段，速度v_cur不变；

S607：计算出剩余的步进数steps_max；

S608：进入匀加速或匀减速阶段，使其在每次步进指令后赋值v_cur1＝v_cur0/a，当速度v_cur的值到达用户的设定速度后维持不变，计数器v_cnt根据设定步进电机步进数steps递增，完成匀加速或匀减速过程。

步进电机控制器能提供恒力矩和全力矩，通过通讯和命令处理模块来选择使用恒力矩或全力矩的模式工作。在恒力矩模式下，任一时刻两相电流自动调整(均小于或等于最大电流值)，使得步进电机输出的力矩等于一个常值；在全力矩模式下，任一时刻两相电流中至少有一相等于最大电流值，步进电机的输出力矩最小恒力矩方式的力矩，最大为1.41倍的恒力矩方式力矩，图6是全力矩模式下步进电机的相位与力矩的关系。

步进电机控制器的全力矩方式通过以下的算法实现：

假设步进电机的定子对数为n，恒力矩为Tc，当步进电机的转子从A相转到B相，保持A相电流不变，逐步增加B相电流，使步进电机的转子转过电气角Φ，0≤Φ≤π/2n，如图7所示，得到电气角与力矩的关系式：Ta＝Tc，T_b＝T_c*sinΦ/sin(π/(n-Φ))，总力矩T＝sinπ/n/sin(π/(n-Φ）），同理，当Φ＞π/2n时，保持B相电流不变，逐步减少A相电流，同样可以求出电气角与力矩的关系式：T_b＝T_c，T_a＝T_c*sin(π/(n-Φ))/sinΦ，总力矩T＝sinπ/n/sinΦ，将步进电机的电气角Φ分为4n个象限，每个象限为π/2n，根据上面的计算方法，步进电机的转子每转过两个象限，上述的计算过程重复一次，即从通过对A，B两相的电流调节实现了全力矩模式。

本发明的步进电机控制器实现全力矩具体的步骤，如图8所示：

判断所处位置的相位角Φ，设定步进电机的定子对数为n，恒力矩为T_c，则0≤Φ≤π/2n；

根据步进电机所处位置的相位角Φ计算出Tb，T_a＝T_c，T_b＝T_c*sinΦ/sin(π/(n-Φ))，总力矩T＝sinπ/n/sin(π/(n-Φ))；

根据计算出的T_b计算出B相调制电流I_B，I_B＝kTb；

根据所处位置的相位角Φ计算出T_a，T_b＝T_c，T_a＝T_c*sin(π/(n-Φ))/sinΦ，总力矩T＝sinπ/n/sinΦ；

根据计算出的T_a计算出A相调制电流，I_A＝kTa。

在步进电机控制器工作时，线圈会发热，过热会导致控制器损坏，本发明为了解决线圈发热的问题，采用了定时自动检测电流并自动控制电流衰减的功能，减少步进电机的热功率损耗。电流自动衰减的流程图如图9所示，具体实现步骤：

S701：步进电机控制器执行完上一个步进命令后，设定定时时间后启动定时器；

S702：所述定时器设定的定时时间结束后，步进电机控制器执行自动降低相电流，且每相电流按同等比例衰减，以保持电机的转子位置不变；

S703：检测到下一个步进命令时，步进电机控制器自动恢复到正常电流值；

S704：返回S701，重复执行S701至S704。

当在预设的时间段内没有检测到通讯接口传过来转动的命令时，控制器自动降低步进电机的绕组电流，以减小电机的发热和功率损失，电流衰减后步进电机的位置保持不变。

步进电机控制器具有电流闭环控制功能，步进电机的相电流值通过通讯与命令处理模块动态设置，步进电机控制器实现对电流的闭环控制，其步骤包括：

S801：上位机通过通讯与命令处理模块下达电流设置命令；

S802：数字控制模块根据设置的电流值计算后输出PWM信号到功率放大模块；

S803：功率放大模块中的采样电路实时反馈当前电流值；

S804：数字控制模块对采样电路反馈的值进行A/D转换、放大后与设定值进行比较，根据比较结果调节PWM的占空比，如果检测到短路过热则直接输出低电平PWM信号；

S805：数字控制模块根据比较的结果输出调整后的PWM信号到功率放大模块。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种步进电机控制器，其特征在于：包括

电源隔离模块，用于隔离电源和各个功能模块；

通讯与命令处理模块，包括选择器、通讯接口和命令处理模块，通过通讯接口实现上位机与数字控制模块的通信，并对上位机的命令进行配置处理；

数字控制模块，包括EEPROM和MCU，用于对所述上位机的命令进行处理后控制步进电机动作；

信号隔离模块，用于消除所述通讯接口信号、电源功率电路和步进电机对所述数字控制模块的干扰；

功率放大模块，用于实现对所述数字控制模块输出的调制信号进行功率放大，输出设定的电流值到电机绕组。

2.如权利要求1所述的步进电机控制器，其特征在于：所述功率放大模块包括输入电路、电流反馈电路和H桥电路，所述输入电路与H桥电路连接，所述H桥电路与电流反馈电路连接。

3.如权利要求2所述的步进电机控制器，其特征在于：所述H桥电路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、第一快速二极管、第二快速二极管、第三快速二极管、第四快速二极管，所述第一三极管和第二三极管为NPN型晶体管，所述第三三极管和第四三极管为PNP型晶体管，所述第一三极管的集电极分别与第三快速二极管的阴极、第二快速二极管的阴极和第二三极管的集电极连接并与电源正极连接，所述第一三极管的发射极分别与第三快速二极管的阳极、第三三极管的发射极和第四快速二极管的阴极连接，所述第二三极管的发射极分别与第二快速二极管的阳极、第四三极管的发射极和第一快速二极管的阴极连接，所述第三三极管的集电极与第四三极管的集电极之间连接步进电机的一相绕组。

4.如权利要求2所述的步进电机控制器，其特征在于：H桥电路包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一快速二极管、第二快速二极管、第三快速二极管和第四快速二极管，所述第一NMOS管的漏极连接电源正极，所述第一NMOS管栅极连接H桥驱动电路的输出端，所述第一NMOS管源极连接第三快速二极管的阳极，所述第二NMOS管的漏极连接电源正极，所述第二NMOS管的栅极连接H桥驱动电路的输出端，所述第二NMOS管源极连接第二快速二极管的阳极，所述第三NMOS管的漏极分别与第一NMOS管的源极和第四快速二极管的阴极连接，所述第三NMOS管栅极连接H桥驱动电路输出端，所述第四NMOS管漏极分别与第二NMOS管的源极和第一快速二极管的阴极连接，所述第四NMOS管栅极连接H桥驱动电路输出端，所述第四NMOS管的源极与第一NMOS管的源极之间连接步进电机的一相绕组。

5.如权利要求1所述的步进电机控制器，其特征在于：所述通讯接口包括RS232、RS485/CAN、RS422、I2C、SPI、PULSE、两个紧急停车输入接口和四个通用输入输出口形成开环模式下的上下限位控制及闭环模式下的编码器位置反馈输入，所述上位机实时配置每个端口方向和电平值。

6.如权利要求1所述的步进电机控制器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，步进电机控制器上电后检测通讯接口的选择设置；

步骤二，根据所述通讯接口的设置进行初始化变量和初始I/O口；

步骤三，等待上位机发出配置命令或步进命令，发出配置命令则执行步骤四，发出步进命令则执行步骤五；

步骤四，数字控制模块进入配置子程序，对控制参数进行修改并写入EEPROM；

步骤五，数字控制模块进入步进命令，配置PWM参数；

步骤六，根据所述配置PWM参数，数字控制模块检测步进电机当前的位置信息，执行动态实时配置的匀加速或匀减速控制步骤。

7.如权利要求6所述的步进电机控制器的控制方法，其特征在于：

所述步骤四中的配置命令包括用户自定义指令程序，所述用户自定义指令程序通过所述通讯与命令处理模块写入EEPROM中，所述步进电机控制器在开机时自动选择自动执行用户自定义指令程序，实现步进电机控制器脱离上位机自动执行用户自定义指令程序，具体步骤包括：

S401：所述步进电机控制器在开机时自动选择一种接口与上位机通讯；

S402：用户通过自定义指令集中的命令向所述步进电机控制器写入自定义指令程序；

S403：所述步进电机控制器将用户自定义指令程序存储在EEPROM中；

S404：所述步进电机控制器再次开机，自动选择执行用户自定义指令程序模式；

S405：所述步进电机控制器自动执行用户自定义指令程序，所述用户自定义程序包含步进电机控制器配置、IO端口读写和步进电机运动控制程序。

8.如权利要求6所述的步进电机控制器的控制方法，其特征在于：所述步骤六中的动态实时配置的匀加速或匀减速的控制过程，具体步骤：

S601：设定步进电机的运动速度v_max，将步进电机的每个步进位置或细分位置设为速度参考点，设转动第一步时的速度为v₀，线性加速比率为a，则第n步时的速度v_n＝a^(n-1)*v₀；

S602：设定步进电机的步进数steps，则从0加速到v_max所需要的步进数为steps_max，steps_max＝log_a(v_max/v₀)+1；

S603：判断所述速度增大所需要的步进数steps_max与设定步进电机步进数steps的大小，若steps_max小于steps，则当steps_max＝0.5*steps，初始化计数器v_cnt；当steps_max大于steps，则初始化计数器v_cnt；

S604：初始化计数器v_cnt后，速度v_cur清零，进入匀加速阶段，使其在每次步进运动后v_cur1＝v_cur0*a，其中，速度v_cur1为步进电机运动后的速度，v_cur0为步进电机初始速度，计数器v_cnt根据所述设定步进电机步进数steps递增；

S605：当所述速度增大所需要的步进数steps_max与设定步进电机步进数steps相等，则执行S606，若所述速度增大所需要的步进数steps_max与设定步进电机步进数steps不相等，则返回执行S604；

S606：进入匀速阶段，速度v_cur不变；

S607：计算出剩余的步进数steps_max；

S608：进入匀加速或匀减速阶段，使其在每次步进指令后赋值v_cur1＝v_cur0/a，当速度v_cur的值到达用户的设定速度后维持不变，计数器v_cnt根据设定步进电机步进数steps递增，完成匀加速或匀减速过程。

9.如权利要求6所述的步进电机控制方法，其特征在于：在所述步骤六之后还包括步骤七：动态实时配置的自动电流衰减控制。

10.如权利要求9所述的步进电机控制器的控制方法，其特征在于：所述步骤七，动态实时配置的自动电流衰减控制步骤具体包括：

S701：步进电机控制器执行完上一个步进命令后，设定定时时间后启动定时器；

S702：所述定时器设定的定时时间结束后，步进电机控制器执行自动降低相电流，且每相电流按同等比例衰减，以保持电机的转子位置不变；

S703：检测到下一个步进命令时，步进电机控制器自动恢复到正常电流值；

S704：返回S701，重复执行S701至S704。

11.如权利要求9所述的步进电机控制器的控制方法，其特征在于：所述步骤七之后包括步骤八：

步进电机的相电流值通过通讯与命令处理模块动态设置，实现对电流的闭环控制，其具体步骤包括：

S801：所述上位机通过通讯与命令处理模块下达电流设置命令，设定电流值；

S802：所述数字控制模块根据所述电流值计算后输出PWM信号到所述功率放大模块；

S803：所述功率放大模块中的电流反馈电路实时反馈当前电流值；

S804：所述数字控制模块对电流电路反馈的值进行A/D转换、放大后与设定值进行比较，根据比较结果调节PWM的占空比，如果检测到短路过热则直接输出低电平PWM信号；

S805：数字控制模块根据比较的结果输出调整后的PWM信号到功率放大模块。