CN105375840A - 闭环控制方式单极步进电机控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种闭环控制方式单极步进电机控制器，包括电源模块、电流指令信号采集模块、单片机模块、位置信号采集模块、电机驱动模块。电流指令信号采集模块与单片机模块连接；位置信号采集模块与单片机模块连接；单片机模块与电机驱动模块连接；电源模块为各模块提供稳定的直流电源。本发明能够配合调速器快速准确设定柴油机目标转速，具备高低转速限位记忆功能，并能够增强电机的输出力矩。
Description
技术领域
本发明属于柴油机技术领域，具体涉及一种闭环控制方式单极步进电机控制器。
背景技术
随着科学技术的进步，柴油机逐渐向数字化和智能化方向发展，用户也因其自身对设备操作性的需求而对整个柴油机系统提出更多的要求。调速器作为稳定柴油机转速的器件，主要作用就是防止柴油机低速时熄火以及高速时飞车。调速器传统使用方法是操作人员通过旋转调速器面板上旋钮来增加或降低柴油机转速，此时需要有专门的人员在柴油机旁进行操作，且操作环境非常恶劣。若在液压调速器上应用步进电机控制器，操作人员就只需在控制室对步进电机控制器发出加速或减速指令，便可远程控制调速器实现柴油机的加减速运行。
因此，有必要开发一种闭环控制方式单极步进电机控制器，以配合柴油机的调速器工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种闭环控制方式单极步进电机控制器，它能配合调速器快速准确设定柴油机目标转速，具备高低转速限位记忆功能，并能增强电机的输出力矩。
本发明所述闭环控制方式单极步进电机控制器，包括：
包括电源模块、电流指令信号采集模块、单片机模块、位置信号采集模块和电机驱动模块；
所述电流指令信号采集模块用于实时采集外部4mA～20mA的电流指令信号，并对该电流指令信号进行转换和抗干扰处理，该电流指令信号采集模块与单片机模块连接；
所述位置信号采集模块用于实时采集步进电机的位置信号，并对该位置信号进行抗干扰处理，该位置信号采集模块与单片机模块连接；
所述单片机模块用于实时接收位置信号采集模块和电流指令信号采集模块所发送的数据，对数据进行计算处理，并基于计算处理的结果向电机驱动模块输出对应的控制信号，控制步进电机运动到指定位置；
所述电机驱动模块用于接收单片机模块所发出的控制信号，并根据该控制信号和设定的电机线圈工作电流完成电机的驱动和驱动力矩的放大，该电机模块与单片机模块连接；
所述电源模块用于为电流指令信号采集模块、单片机模块、位置信号采集模块和电机驱动模块提供稳定的直流电源。
所述单片机模块包括：
单片机最小系统电路，包括单片机以及用于保证单片机正常工作的外围电路；
外置EEPROM电路（EEPROM即电可擦可编程只读存储器），用于存储控制器工作时所需设定的工作参数，该外置EEPROM电路与单片机最小系统电路连接。
所述电流指令信号采集模块包括：
第一信号采集电路，用于采集外部4mA～20mA的电流指令信号；
电流信号-电压信号转换电路，用于将所采集的电流指令信号转换成电压信号，便于单片机进行信号处理，该电流信号-电压信号转换电路与第一信号采集电路连接；
第一电压跟随器电路，用于保持输入信号的稳定，去除干扰，该第一电压跟随器电路与电流信号-电压信号转换电路连接。
所述位置信号采集模块包括：
第二信号采集电路，用于实时采集步进电机的位置信号；
第二电压跟随器电路，用于保持输入信号稳定，去除干扰，该第二电压跟随器电路与第二信号采集电路连接。
所述电机驱动模块包括：
步进电机步进信号生成电路，用于产生驱动步进电机的步进相序信号；
功率MOS管驱动电路，用于驱动进行功率放大作用的MOS管，增强步进电机的驱动力矩，该功率MOS管驱动电路与步进电机步进信号生成电路连接；
电机线圈电流采样监测电路，用于采集电机线圈实时电流信号，并将电流信号放大送至步进电机步进信号生成电路，实现线圈电流的斩波控制，并改善采样功率电阻的发热性能，该电机线圈电流采样监测电路与功率MOS管驱动电路连接。
所述单片机采用的型号为PIC16F74，PIC16F74是由Microchip公司研发设计的一款8位高性能单片机，它具有192Byte大小SRAM，33个I/O口，8位8通道A/D转换，2个8位以及1个16位定时器，12个中断，同时支持SPI和I2C通讯。
本发明具有以下优点：
（1）该闭环控制方式单极步进电机控制器内部包含电源模块，集成度高、安装方便，不需要额外的电源模块对蓄电池电压进行稳压。
（2）该闭环控制方式单极步进电机控制器可通过简单方便的匹配标定自定义柴油机的高、低转速限位，无需采用调速器机械限位的方法，增强了系统的可操作性。
（3）该闭环控制方式单极步进电机控制器通过硬件方式控制驱动高速电磁阀的电流，实时性好，抗干扰性强，一致性强；采用特定的驱动电路，在相同线圈设定电流下，可通过硬件配置增强电机输出力矩，在满足相同力矩要求下改善系统的发热性能。
（4）该闭环控制方式单极步进电机控制器采用以电流分流监测器为基础的电机电流采样电路，有利于减小采样功率电阻的阻值，大幅改善了功率电阻的发热性能。
（5）该闭环控制方式单极步进电机控制器扩展了电机微调接口，适用于电机控制精度较高的场合。
（6）该闭环控制方式单极步进电机控制器可兼容支持五线、六线及八线单极步进电机驱动控制。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明中单片机模块的原理框图；
图3是本发明中电流指令信号采集模块的原理框图；
图4是本发明中位置信号采集模块的原理框图；
图5是本发明中电机驱动模块的原理框图；
图6是本发明中电源模块的电路图；
图7是本发明中单片机最小系统的电路图；
图8是本发明中外置EEPROM的电路图；
图9是本发明中电流指令信号采集模块的电路图；
图10是本发明中位置信号采集模块的电路图；
图11是本发明中步进电机步进信号生成电路的电路图；
图12是本发明中步进电机步进信号时序图；
图13是本发明中功率MOS管驱动电路的电路图；
图14是本发明中电机线圈电流实测波形图；
图15是本发明中电机线圈电流采样监测电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示的闭环控制方式单极步进电机控制器，包括电源模块1、电流指令信号采集模块2、单片机模块3、位置信号采集模块4和电机驱动模块5，所述电流指令信号采集模块2用于实时采集外部4mA～20mA的电流指令信号，并对该电流指令信号进行转换和抗干扰处理，该电流指令信号采集模块2与单片机模块3连接。所述位置信号采集模块4用于实时采集步进电机的位置信号，并对该位置信号进行抗干扰处理，该位置信号采集模块4与单片机模块3连接。所述单片机模块3用于实时接收位置信号采集模块4和电流指令信号采集模块2所发送的数据，单片机模块3对数据进行计算处理，并基于计算处理的结果向电机驱动模块5输出对应的控制信号，控制步进电机运动到指定位置。所述电机驱动模块5用于接收单片机模块3所发出的控制信号，并根据该控制信号和设定的电机线圈工作电流完成电机的驱动和驱动力矩的放大，该电机模块5与单片机模块3连接。所述电源模块1用于为电流指令信号采集模块2、单片机模块3、位置信号采集模块4和电机驱动模块5提供稳定的直流电源。
如图6所示，所述电源模块1电路用于向控制器各模块提供稳定的+5V、+15V直流电源，同时在控制器电源入口提供防反接保护。
如图2所示，所述单片机模块3包括单片机最小系统电路3a和外置EEPROM电路3b，该外置EEPROM电路3b与单片机最小系统电路3a连接。
如图7所示，所述单片机最小系统电路3a包括单片机U1、晶振Y1、电容C4和电容C6；电容C4的一端与单片机U1的引脚6连接，电容C4的另一端与单片机U1的引脚7连接；电容C6的一端与单片机U1的引脚28连接，电容C6的另一端与单片机U1的引脚29连接；晶振Y1的一端与单片机U1的引脚30连接，晶振Y1的另一端与单片机U1的引脚31连接。
如图8所示，所述外置EEPROM电路3b包括芯片U3（比如：24C01）、电阻R39、电阻R40和电容C9，电阻R39的一端与芯片U3的引脚6连接，电阻R40的一端与芯片U3的引脚5连接，电阻R39的另一端及电阻R40的另一端分别与VDD-5V连接。外置EEPROM电路3b用于存储控制器工作过程中需要设定的工作参数，工作参数由单片机U1通过I2C通讯方式从芯片U3进行读取和写入。
如图3和图9所示，所述电流指令信号采集模块2包括第一信号采集电路2a（包括接线端子P1、接线头J5和可变电阻RP2）、电流信号-电压信号转换电路2b（包括电阻R48）和第一电压跟随器电路2c（包括EMI滤波器C22和电压跟随器U7），第一信号采集电路2a用于采集外部4-20mA的电流指令信号；电流信号-电压信号转换电路2b用于将所采集的电流指令信号转换成电压信号，便于单片机进行信号处理，该电流信号-电压信号转换电路2b与第一信号采集电路2a连接；第一电压跟随器电路2c用于保持输入信号的稳定，去除干扰，该第一电压跟随器电路2c与电流信号-电压信号转换电路2b连接。如图9所示，接线头J5的1脚与接线端子P1的1脚连接。接线端子P1的2脚经电阻R48后接地。EMI滤波器C22的3脚与电压跟随器U7的3脚连接，EMI滤波器C22的1脚接地，EMI滤波器C22的2脚与接线端子P1的2脚连接。电压跟随器U7的1脚与单片机U1的20脚连接。电流指令信号采集模块将外部4-20mA信号通过电阻R48转换成电压信号，并通过EMI滤波器C22对信号进行降噪处理，最后利用电压跟随器U7稳定采集输入信号。
如图4和图10所示，所述位置信号采集模块4包括第二信号采集电路4a（包括接线头J4）和第二电压跟随器电路4b（包括EMI滤波器C21和电压跟随器U6），第二信号采集电路4a用于实时采集步进电机的位置信号；第二电压跟随器电路4b用于保持输入信号稳定，去除干扰，该第二电压跟随器电路4b与第二信号采集电路4a连接。如图10所示，接线头J4的3脚与EMI滤波器C21的1脚连接，接线头J4的2脚与EMI滤波器C21的2脚连接，EMI滤波器C21的3脚与电压跟随器U6的3脚连接。电压跟随器U6的1脚和4脚分别与单片机U1的19脚连接。位置信号采集模块通过EMI滤波器C21和电压跟随器U6对采集的步进电机位置信号进行降噪和稳压处理。
如图5所示，所述电机驱动模块5包括步进电机步进信号生成电路5a、功率MOS管驱动电路5b和电机线圈电流采样监测电路5c；步进电机步进信号生成电路5a用于产生驱动步进电机的步进相序信号；功率MOS管驱动电路5b用于驱动进行功率放大作用的MOS管，增强步进电机的驱动力矩，该功率MOS管驱动电路5b与步进电机步进信号生成电路5a连接；电机线圈电流采样监测电路5c用于采集电机线圈实时电流信号，并将电流信号放大送至步进电机步进信号生成电路，实现线圈电流的斩波控制，并改善采样功率电阻的发热性能，该电机线圈电流采样监测电路5c与功率MOS管驱动电路5b连接。
如图11所示，步进电机步进信号生成电路包括芯片U9（比如：L297）、电容C28、电容C29、电容C30、电容C37、电容C38、电阻R57、电阻R58、电阻R59、电阻R60、电阻R66和电阻R67。芯片U9的引脚17经电阻R59与单片机U1的36脚连接，芯片U9的引脚18经电阻R58与单片机U1的引脚35连接。芯片U9从引脚18和引脚17分别接收来自单片机模块的PWM方波信号和电机转动方向信号，并从引脚4-9产生步进电机步进信号，参见图12。
如图13所示，所述功率MOS管驱动电路包含高端MOS管Q5、低端MOS管Q6和低端MOS管Q7、续流二极管D28和续流二极管D29以及采样功率电阻R85，步进电机步进信号生成电路（参见图11）中生成的步进时序信号控制高端MOS管Q5、低端MOS管Q6和低端MOS管Q7的通断，使得步进电机各相线圈中产生一定相序的电流，驱动电机运转，同时由于本发明中采用特定的电机驱动拓扑结构，可以实现线圈电流增大（参见图14），电机力矩增强。
如图15所示，所述电机线圈电流采样监测电路通过R82、R83与功率MOS管驱动电路中的采样功率电阻R85连接（参见图13），实时将流经R85上的电流转换成电压信号并放大20倍后，由芯片U13（比如：AD8211）的引脚1输送至步进电机步进信号生成电路（参见图11）进行电机线圈斩波电流控制。
本发明中所述单片机U1的采用的型号为PIC16F74，PIC16F74是由Microchip公司研发设计的一款8位高性能单片机，它具有192Byte大小SRAM，33个I/O口，8位8通道A/D转换，2个8位以及1个16位定时器，12个中断，同时支持SPI和I2C通讯。
Claims (6)
1.一种闭环控制方式单极步进电机控制器，其特征在于：包括电源模块（1）、电流指令信号采集模块（2）、单片机模块（3）、位置信号采集模块（4）和电机驱动模块（5）；
所述电流指令信号采集模块（2）用于实时采集外部4mA～20mA的电流指令信号，并对该电流指令信号进行转换和抗干扰处理，该电流指令信号采集模块（2）与单片机模块（3）连接；
所述位置信号采集模块（4）用于实时采集步进电机的位置信号，并对该位置信号进行抗干扰处理，该位置信号采集模块（4）与单片机模块（3）连接；
所述单片机模块（3）用于实时接收位置信号采集模块（4）和电流指令信号采集模块（2）所发送的数据，对数据进行计算处理，并基于计算处理的结果向电机驱动模块（5）输出对应的控制信号，控制步进电机运动到指定位置；
所述电机驱动模块（5）用于接收单片机模块（3）所发出的控制信号，并根据该控制信号和设定的电机线圈工作电流完成电机的驱动和驱动力矩的放大，该电机模块（5）与单片机模块（3）连接；
所述电源模块（1）用于为电流指令信号采集模块（2）、单片机模块（3）、位置信号采集模块（4）和电机驱动模块（5）提供稳定的直流电源。
2.根据权利要求1所述的闭环控制方式单极步进电机控制器，其特征在于：所述单片机模块（3）包括：
单片机最小系统电路（3a），包括单片机以及用于保证单片机正常工作的外围电路；
外置EEPROM电路（3b），用于存储控制器工作时所需设定的工作参数，该外置EEPROM电路（3b）与单片机最小系统电路（3a）连接。
3.根据权利要求1或2所述的闭环控制方式单极步进电机控制器，其特征在于：所述电流指令信号采集模块（2）包括：
第一信号采集电路（2a），用于采集外部4mA～20mA的电流指令信号；
电流信号-电压信号转换电路（2b），用于将所采集的电流指令信号转换成电压信号，便于单片机进行信号处理，该电流信号-电压信号转换电路（2b）与第一信号采集电路（2a）连接；
第一电压跟随器电路（2c），用于保持输入信号的稳定，去除干扰，该第一电压跟随器电路（2c）与电流信号-电压信号转换电路（2b）连接。
4.根据权利要求1或2所述的闭环控制方式单极步进电机控制器，其特征在于：所述位置信号采集模块（4）包括：
第二信号采集电路（4a），用于实时采集步进电机的位置信号；
第二电压跟随器电路（4b），用于保持输入信号稳定，去除干扰，该第二电压跟随器电路（4b）与第二信号采集电路（4a）连接。
5.根据权利要求1或2所述的闭环控制方式单极步进电机控制器，其特征在于：所述电机驱动模块（5）包括：
步进电机步进信号生成电路（5a），用于产生驱动步进电机的步进相序信号；
功率MOS管驱动电路（5b），用于驱动进行功率放大作用的MOS管，增强步进电机的驱动力矩，该功率MOS管驱动电路（5b）与步进电机步进信号生成电路（5a）连接；
电机线圈电流采样监测电路（5c），用于采集电机线圈实时电流信号，并将电流信号放大送至步进电机步进信号生成电路（5a），实现线圈电流的斩波控制，并改善采样功率电阻的发热性能，该电机线圈电流采样监测电路（5c）与功率MOS管驱动电路（5b）连接。
6.根据权利要求2所述的闭环控制方式单极步进电机控制器，其特征在于：所述单片机采用的型号为PIC16F74。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |