CN104796055A - 一种触屏控制与驱动一体化的4轴步进电机闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

一种触屏控制与驱动一体化的4轴步进电机闭环控制系统，包括四轴步进电机、机械式绝对值编码器、触屏控制驱动一体化处理器。所述机械式绝对值编码器与步进电同轴反馈步进电机运行位置构成闭环控制系统；所述处理器负责编码器信号采集与处理，步进电机的驱动，步进电机的运动顺序的指令分离，触摸屏人机交互功能。所述四台步进电机对控制器的指令进行顺序执行但各步进电机不同时运行，且电机的运动特点也不相同。本发明的优点在于：利用伺服控制原理来控制步进电机构成闭环控制，避免出现丢步或过冲的现象，使控制性能更可靠；采用机械式绝对值编码器无需断电保存，且无误差累积；处理器集触屏控制与驱动一体化；通过一套系统，控制多轴减少成本。

Description

一种触屏控制与驱动一体化的4轴步进电机闭环控制系统

技术领域

本发明属于先进制造和自动控制技术领域。。

背景技术

步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移或线位移的电磁机械装置。步进电机的稳定性和可靠性直接影响到工业控制领域的精度。目前，步进电机控制系统多采用，步进电机、步进电机驱动器、PLC（或其他控制器）以及触摸屏（或人机交互产品）构成控制系统。一个由多台步进电机的多轴控制系统，当其中每台电机依次不同时工作时也需要配置多套控制系统。这样构成的系统有以下主要缺点：一、步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大时易出现丢步或堵转的现象；二、组成步进电机控制系统需要的元器件种类多，系统不稳定，占用空间大，接线复杂；三、当系统中有多轴需要控制时，需要配置多套控制系统，而当各电机不同时运动时就造成了资源的浪费，增加了整体设备的成本。

鉴于以上所述现有步进电机控制缺陷，本发明人针对现有技术深入研究，并有本案产生。

发明内容

本发明针对现有步进电机控制系统易丢步的开环特性，元器件种类多，硬件接线较为复杂，控制系统成本高等不足之处，提出的一种步进电机控制系统的改进。

本发明的目的在于提出一种触屏控制与驱动一体化的4轴步进电机闭环控制系统。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种触屏控制与驱动一体化的4轴步进电机闭环控制系统，包括四轴步进电机、机械式绝对值编码器、触屏控制驱动一体化处理器。所述机械式绝对值编码器与步进电同轴，反馈步进电机运行位置构成闭环控制系统；所述处理器负责编码器信号采集与处理，步进电机的驱动以及运动方式的控制，四轴对应的步进电机的运动顺序的指令分离，同时集成了触摸屏人机交互功能。所述四轴对应的各步进电机对控制器的指令进行顺序执行但四轴对应的各步进电机不同时运行，且电机的运动特点也不相同。

所述触屏控制驱动一体化处理器包括，步进电机驱动单元、RS485串行通讯接口芯片、控制器CPU单元、触屏人机交互界面。

所述控制器CPU单元分别连接步进电机驱动单元、RS485串行通讯接口芯片、触屏人机交互界面。所述RS485串行通讯接口芯片与所述步进电机驱动单元连接。

所述步进电机驱动单元一方面负责将控制器CPU单元发出的脉冲控制信号转化为步进电机的角位移信号，实现使步进电机运转的功率放大功能；一方面负责对电机编码器反馈信号进行处理，内部构成位置环和速度环，形成了闭环控制，利用伺服控制的原理来控制步进电机，避免出现步进电机的丢步或过冲的现象，使控制性能更为可靠；另一方面负责对连接的四台步进电机分配不同的端口号1-4，并将获取的控制器CPU单元指令进行识别，将转换后的动作信号分配给对应需要运行的步进电机执行。通过控制器CPU单元中软件程序的处理，四台电机不同时运行，这样驱动单元各端口在电气硬件接口上与控制单台电机的驱动能力无异，并不增加驱动单元的硬件开发成本。

所述RS485串行通讯接口芯片负责采集机械式绝对值编码器的信号，反馈给驱动单元和控制器CPU单元。所述RS485串行通讯接口芯片利用硬件RS485接口可以实现远距离通讯，同时总线上允许连接多个收发器，本发明中连接了4个具有RS485通讯接口的机械式绝对值编码器。RS485接口标准只对接口的电气特性做出规定，使其具有通用性，但不涉及接插件、电缆等，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。而这个高层通信协议的建立既可以采用已有的应用成熟的通信协议，比如Modbus协议等，也可以由用户自定义RS485的通信协议。

所述触屏人机交互界面主要负责初始参数的设置、指令组合顺序的设置、当前工况的显示、报警信息的显示，以及数据报表的生成与保存，亦可根据用户的需要开发更多个性化的功能。用户只需将每台步进电机的运动方式初始化设置，根据不同的工作要求，设置每台电机的运行顺序，将参数与指令设置成功后，系统就会按照用户的设置自动执行。

所述控制器CPU单元负责该系统的总体控制。主要负责发送驱动单元的运动控制指令(如位移、速度、加速度等)；接收指令对用户设置的指令组合顺序进行分离并依次存储于连续的地址空间并且输出步进电机运动所需要的脉冲信号和方向信号；该控制器提供了所有与数字运动控制有关的功能，包括位置控制、速度控制及微步控制等步进电机常用的控制功能；同时读取RS485通讯接口的机械式绝对值编码器反馈信息，并将反馈信息传递给触屏使用户得到直观的运行数据；当出现异常现象时做出相应的保护措施并发出报警信号。

本发明技术方案的优点在于：利用伺服控制的原理来控制步进电机构成闭环控制，避免出现步进电机的丢步或过冲的现象，使控制性能更为可靠；采用机械式绝对值编码器无需断电保存，自带记忆功能，且误差无累积，抗干扰性能强；处理器集触屏控制与驱动一体化，具有体积小、重量轻、工作稳定，硬件接线少的优点； 通过一套控制系统，控制多轴运动，减少了控制系统的成本。

附图说明：

本发明的上述优点以及实施方式的描述结合下面附图将变得清晰且容易理解，其中：

图1是本发明4轴步进电机闭环控制系统总体结构图；

图2是本发明软件设计流程图。

具体实施方式：

如图1所示是本发明4轴步进电机闭环控制系统总体结构图。包括四轴步进电机、四个机械式绝对值编码器、触屏控制驱动一体化处理器。所述机械式绝对值编码器与步进电同轴反馈步进电机运行位置构成闭环控制系统；所述处理器负责编码器信号采集与处理，步进电机的驱动以及运动方式的控制，四轴对应的步进电机的运动顺序的指令分离，同时集成了触摸屏人机交互功能。所述四轴对应的各步进电机对控制器的指令进行顺序执行但四轴对应的各步进电机不同时运行。

所述触屏控制驱动一体化处理器包括，步进电机驱动单元、RS485串行通讯接口芯片、控制器CPU单元、触屏人机交互界面。

所述控制器CPU单元分别连接步进电机驱动单元、RS485串行通讯接口芯片、触屏人机交互界面。所述RS485串行通讯接口芯片与所述步进电机驱动单元连接。

如图2是本发明所述触屏控制驱动一体化处理器中软件设计流程图。

本发明所述触屏控制驱动一体化处理器中软件设计流程如下：1、通过触屏人机交互界面系统初始化并将指令存储地址单元的数据清零。其目的在于清除上一次的指令，以免造成误动作。系统初始化包括对四轴电机不同运动的设置，如转速，位置，方向，加/减速度等。对每一轴电机的运动方式逐一进行编辑，并保存，如不进行设置则系统默认为上一次该轴对应步进电机的运行方式。

2、在触摸屏界面设置指令组合，指令组合0-4组合成的一个序列以字母F为结束码。例如：指令10342F表示：步进电机1执行指令后等待若干时间后步进电机3/4/2顺次执行动作，整体指令执行结束。其中指令中的1-4代表对于的动作电机的编码，0代表此步骤中无电机动作需要等待预先设置的时长后执行下一步动作。

3、判断指令组合是否合法性。通过人机界面设置的指令如果设置的指令代码如果不符合要求就会提醒用户重新设置指令组合；如果指令符合要求就会对指令组进行分离并顺序存储，如指令10342F，1被存储于地址0100那么0,3,4,2，F就会被存储于0101-0105。

4、分离后指令依次读取指令存储地址内容，当地址内容不是结束码F时，对于读取的指令，相应的电机会执行程序预先设置的动作，同时读取同组的编码器反馈动作的完成情况，当接到指令完成的信号时（或者地址内容是0时步进电机等待预先设置时间后）读取地址+1 ，直至地址内容为结束码F程序结束。

所述控制器CPU单元负责该系统的总体控制。该控制器CPU单元通过上述软件流程实现了对四轴步进电机的顺次控制。主要负责发送驱动单元(步进电机)的运动控制指令(如位移、速度、加速度等)；接收指令对用户设置的指令组合顺序进行分离并顺次存储与连续的地址空间并以输出步进电机运动所需要的脉冲信号和方向信号；该控制器提供了所有与数字运动控制有关的功能，包括位置控制、速度控制及微步控制等步进电机常用的控制功能；同时读取RS485通讯接口的机械式绝对值编码器反馈信息，并将反馈信息传递给触屏使用户得到直观的运行数据；当出现异常现象时做出相应的保护措施并发出报警信号。

Claims (7)

1.一种触屏控制与驱动一体化的4轴步进电机闭环控制系统，包括四轴步进电机、机械式绝对值编码器、触屏控制驱动一体化处理器。

2.根据权利要求1所述机械式绝对值编码器与步进电同轴反馈步进电机运行位置构成闭环控制系统；所述处理器负责编码器信号采集与处理，步进电机的驱动以及运动方式的控制，四轴对应的步进电机的运动顺序的指令分离，同时集成了触摸屏人机交互功能；所述四轴对应的各步进电机对控制器的指令进行顺序执行但四轴对应的各步进电机不同时运行，且电机的运动特点也不相同。

3.所述触屏控制驱动一体化处理器包括，步进电机驱动单元、RS485串行通讯接口芯片、控制器CPU单元、触屏人机交互界面。

4.根据权利要求3所述步进电机驱动单元一方面负责将控制器CPU单元发出的脉冲控制信号转化为步进电机的角位移信号，实现使步进电机运转的功率放大功能；一方面负责对电机编码器反馈信号进行处理，内部构成位置环和速度环，形成了闭环控制，利用伺服控制的原理来控制步进电机，避免出现步进电机的丢步或过冲的现象，使控制性能更为可靠；另一方面负责对连接的四台步进电机分配不同的端口号1-4，并将获取的控制器CPU单元指令进行识别，将转换后的动作信号分配给对应需要运行的步进电机执行，通过控制器CPU单元中软件程序的处理，四台电机不同时运行，这样驱动单元各端口在电气硬件接口上与控制单台电机的驱动能力无异，并不增加驱动单元的硬件开发成本。

5.根据权利要求3所述RS485串行通讯接口芯片负责采集机械式绝对值编码器的信号，反馈给驱动芯片和控制器CPU单元，RS485串行通讯接口芯片利用硬件RS485接口可以实现远距离通讯，同时总线上允许连接多个收发器本发明中即连接了4个具有RS485通讯接口的机械式绝对值编码器，RS485通讯接口标准只对接口的电气特性做出规定，使其具有通用性，但不涉及接插件、电缆等，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议 而这个高层通信协议的建立既可以采用已有的应用成熟的通信协议，比如Modbus协议等，也可以由用户自定义RS485的通信协议。

6.根据权利要求3所述触屏人机交互界面主要负责初始参数的设置、指令组合顺序的设置、当前工况的显示、报警信息的显示，以及数据报表的生成与保存，亦可根据用户的需要开发更多个性化的功能，用户只需将每台步进电机的运动方式初始化设置，根据不同的工作要求，设置每台电机的运行顺序，将参数与指令设置成功后，系统就会按照用户的设置自动执行。

7.根据权利要求3所述控制器CPU单元负责该系统的总体控制：主要负责发送驱动芯片(步进电机)的运动控制指令(如位移、速度、加速度等)；接收指令对用户设置的指令组合顺序进行分离并顺次存储与连续的地址空间并以输出步进电机运动所需要的脉冲信号和方向信号；该控制器提供了所有与数字运动控制有关的功能，包括位置控制、速度控制及微步控制等步进电机常用的控制功能；同时读取RS485通讯接口的机械式绝对值编码器反馈信息，并将反馈信息传递给触屏使用户得到直观的运行数据；当出现异常现象时做出相应的保护措施并发出报警信号。