CN105387961A - 一种步进电机扭力测试仪主控板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进电机扭力测试仪主控板，包括微控制单元、存储器和磁粉离合器组，所述磁粉离合器组设有四个磁粉离合器，并独立通过16位精度的D/A转换器连接到微控制器的I2C口，所述微控制单元设有数字电位器，所述微控制器的SPI口扩展串行存储器，外部晶振12M且vbat引脚外接供电电源，所述微控制器还设有12路光耦隔离输入信号和4组TTL输入信号通过CMOS器件连接到微控制器IO口，所述微控制器设有四个IO口控制继电器的开合，产生四组步进机驱动信号。本发明满足电流电压的检测，满足步进电机的驱动电源要求，四组独立驱动通道可测试四个步进电机的，大大提高了测试效率。

Description

一种步进电机扭力测试仪主控板

技术领域

本发明涉及仪器仪表，特别是一种步进电机扭力测试仪主控板。

背景技术

扭力测试仪是为检测各种扭矩而设计研发的一种检测仪器。适用各种扭矩的检测和校正零件扭转性破坏试验等。主要用于检测各各电动、风动扭力批、扭力起子、螺丝刀、扭力板手和各种涉及拧紧力的仪器和产品，广泛应用于电气制造、机械制造、汽车轻工和专业科研和检测行业。

而现有技术中的步进电机扭力测试仪主控板存在以下缺点：

1、使用机械指针式电压表和电流表，检测总电流和总电压，读数不直观，无法精确显示电机电压、电流状态。

2、驱动电源单一，固定为24V或12V，适用机型单一。

3、使用单一电机通道，每次只可测试一台步进电机，效率低下。

4、系统状态采用数码管显示，当电机相位短路、开路时，数码管提示状态有限，声光效果差。

5、无集成力矩检测功能。

6、无通讯接口，无法联网，数据无法采集，无法拓展其它功能模块。

7、无存储功能，测试日志不能保存

8、无闭环检测，无法精确判定电机有无失步现象。

9、无智能回收箱系统，不良品无法实现强制回收。

10、无操作权限管理。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的是提供满足电流电压的检测的、满足步进电机的驱动电源要求、四组独立驱动通道可测试四个步进电机的、大大提高了测试效率的一种步进电机的扭力测试仪主控板。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种步进电机扭力测试仪主控板，包括微控制单元、存储器和磁粉离合器组，所述微控制单元采用工业级cotex-M4内核的32位微控制器，其中：所述磁粉离合器组设有四个磁粉离合器，并独立通过16位精度的D/A转换器连接到微控制器的I2C口。所述微控制单元设有数字电位器，所述数字电位器为单/双通道数字电位器，与微控制单元的模拟串行口连接，所述微控制器的SPI口扩展串行存储器，实现大数据量的存储，外部晶振12M，经内部PLL倍频后主频可达72M。

所述微控制器还设有12路光耦隔离输入信号和4组TTL输入信号经CMOS器件复用，连接到微控制器IO口。所述微控制器设有四个IO口控制继电器的开合，产生四组步进机驱动信号。4组步进电机驱动信号由微控制器IO口产生，通过光耦隔离，控制MOS管控制各相电流的通断。同时，微控制器使用4个IO口控制继电器的开合，来实现每组驱动电源的开启和关闭。

步进电机驱动电源部分采用DC-DC芯片，输出电压由VFB电位决定，采用机械波段开关和数字电位器两种方式设定改点电位值。所述VFB电位由微控制器控制数字电位器实现。微控制器IO口模拟串行口和单/双通道数字电位串行口连接，根据实际需要发送相应命令，实现电位变化，最终实现驱动电源电压信号按需输出。

所述微控制器自带RTC功能，Vbat引脚外接供电电源供电回路，采用3.3V不可充电电池供电。当系统电源正常供电时，供电电源停止供电；当系统电源关闭时，系统处于低功耗状态，供电电源开始供电，系统时钟依然运行。所述微控制器还设有二极管防止供电电源和系统电源电压互相影响，对系统电源进行保护。时钟晶振引脚外接高精度晶振，实现系统年、月、日、时、分、秒的准确计时。

作为本发明的进一步改进：所述CMOS器件为具有三态输出的八路正相缓冲器或线路驱动器。

作为本发明的进一步改进：所述主控板还包括有触摸屏，所述微控制单元内置有12位精度的A/D转换器，所述触摸屏通过A/D转换器与微控制单元连接。使用12位精度的AD转换器测量电压和电流，并以数字形式在触摸屏上显示。使用8A180KHz直流稳压芯片，支持波段开关机械调压和数字电位器数字调压，输出电压范围DC3.3V~DC24V。所述触摸屏大大丰富了直观效果，可显示系统信息、故障类别，图形显示测试报表、电流曲线。

作为本发明的进一步改进：所述微控制器还设有蜂鸣器和红绿LED灯，实现声光提醒功能，使设备操作更智能化，人性化。

作为本发明的进一步改进：所述微控制器还设有通讯模式接口，分别连接有嵌入式以太网控制器、双路独立收发器、3G手机模组。多个通讯模式接口，实现数据采集和多机联网，所述双路独立收发器还可以级联智联回收箱和RFID读卡器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用工业级cotex-M4内核的微控制器，内置12位分辨率10精度的A/D转换器，1Msps转换率，满足电流电压的检测。同时将转换结果在显示屏上显示，直观清晰。

2、驱动步进电机的电源电压3.3V~24V可调，满足了绝大部分电机的驱动电源要求。

3、四组独立驱动通道，可同时测试四个步进电机，大大提高了测试效率。

4、采用触摸屏，丰富了显示信息和产品功能。

5、力矩检测精度高。

6、多通讯模式接口，实现数据采集和多机联网。

7、存储海量测试信息，方便数据查找和统计分析

8、增加步进电机驱动闭环控制，可及时发现电机失步不良

9、各种故障信息自动报警提示，同时建立各种不良信息的曲线图、柱状图和其他统计报表。

10、有效级联智能强制回收箱和RFID授权管理模组，防止机器随意操作，以及发现不良品及时强制回收。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图2-1为图2的局部放大图。

图2-2为图2的局部放大图。

图2-3为图2的局部放大图。

图2-4为图2的局部放大图。

具体实施方式

现结合附图说明与实施例对本发明进一步说明：

参考图1至图2-4，一种步进电机扭力测试仪主控板，包括微控制单元、存储器和磁粉离合器组，所述微控制单元采用工业级cotex-M4内核的32位微控制器MCUM451VE6AE，其中：所述磁粉离合器组设有四个磁粉离合器，并独立通过16位精度的D/A转换器AD5696连接到微控制器的I2C口PA2、PA3。所述微控制器初始化时先对PA2、PA3初始化为I2C口，再发送相应指令初始化D/A转换器AD5696。使用时，微控制器按照实际需要发送对应指令，实现0-5V电压模拟量输出。使用16位精度的D/A转换器AD5696R，精确驱动磁粉离合器保持力矩来检测步进电机的力矩。

所述微控制单元设有数字电位器，所述数字电位器为单/双通道数字电位器MCP41050，与微控制器的模拟串行口连接，步进电机驱动电源采用DC-DC芯片XL4016，输入电源DC26V，10A，输出电压由VFB电位决定。微控制器采用机械波段开关和数字电位器两种方式设定改点电位值。所述VFB电位由微控制器控制数字电位器MCP41050实现。微控制器IO口PC8、PD8、PD9模拟串行口和MCP41050串行口连接，根据实际需要发送相应命令，实现电位变化，最终实现驱动电源电压信号按需输出。

所述微控制器外部晶振12M，经内部PLL倍频后主频可达72M。系统电源供电，低电平复位。利用其部分IO口电源可配置功能，连接独立3.3V供电电源，使用SPI口扩展串行存储器W25Q32FVSSIG.，实现大数据量的存储。

所述微控制器自带RTC功能，Vbat引脚外接供电电池供电回路，采用3.3V不可充电电池供电。当系统电源DC+5V正常供电时，电池停止供电；当系统电源关闭时，系统处于低功耗状态，电池开始供电，系统时钟依然运行。二极管D20，D21防止供电电源+5V电压和系统电源电压互相影响，对电池进行保护。时钟晶振引脚外接高精度32.768Khz晶振，实现系统年、月、日、时、分、秒的准确计时。

所述微控制器还设有12路光耦隔离输入信号和4组TTL输入信号经CMOS器件74HC244复用，连接到微控制器IO口PB8至PB15。片选信号由PB5、PB6和PA1来完成，使用前先初始化为推挽输出模式。

所述微控制器设有四个IO口控制继电器的开合，产生四组步进机驱动信号。4组步进电机驱动信号由微控制器IO口产生，通过光耦隔离，控制MOS管IRFR024N控制各相电流的通断。同时，微控制器使用4个IO口（PA0、PA12、PA13、PA14）控制继电器的开合，来实现每组驱动电源的开启和关闭。四个电机通道独立工作。微控制器IO和定时器独立配置，脉冲频率和占空比独立输出。

所述主控板还包括有触摸屏，所述微控制单元内置有12位精度的A/D转换器，所述触摸屏通过A/D转换器与微控制单元连接。使用12位精度的AD转换器测量电压和电流，并以数字形式在7寸触摸屏（分辨率800*480）上显示。使用8A180KHz直流稳压芯片XL4016E1，支持波段开关机械调压和数字电位器数字调压，输出电压范围DC3.3V~DC24V。

所述微控制器外接有蜂鸣器和直径22mm红绿LED灯，实现声光提醒功能，使设备操作更智能化，人性化。

所述微控制器还设有通讯模式接口，分别连接有嵌入式以太网控制器、双路独立收发器、3G手机模组。使用W5500实现Internet通讯。双路独立RS485收发器，防雷击设计。UARTTTL通讯口可外扩3G手机模组多个通讯模式接口，实现数据采集和多机联网，所述双路独立收发器为RS485接口，级联智联回收箱和RFID读卡器。

根据各传感器、编码器、电流电压检测值和力矩驱动值，软件实现综合分析算法，判定各种故障

当驱动步进电机运行时，各通道电流经R97、R98、R99和R100。检测该电阻电压值，经过换算即可得电流值。电压信号经过放大器MCP6022放大15倍后，电压确保在0~10V以内，经CMOS4通道模拟多路复用器ADG509A按设定信号选通分压电阻后，和微控制器A/D转换器端口相连。ADG509A通道选择由微控制器DGA0和DGA1信号控制，实现A/D转换口1/2，3/4，3/5分压。

为防止开关电源纹波对A/D转换值得影响，A/D转换参考电压使用线性稳压电源。DC24V电源经线性稳压电源LM78L12ACMX和LM78L05ACM稳压后，增加0.1uf电容滤波，连接至微控制器A/D转换器参考电压引脚PIN90。

为节约微控制器IO资源，使用PE7、PE2和PC15作为串行通讯口，经74CH595串行数据转并行输出后控制ULN2803APG驱动四颗DC24V，红绿双色LED灯。

四组高速编码器AB信号均为差分信号，经差分信号接收器AM26C32转换后，连接到微控制器高速IO输入中断口。实现频率和步数的精确计算。

微控制器高速SPI口连接网络芯片W5500,发送命令实现数据遵循TCP/IP协议高速传输。RJ485端口采用内置网络变压器硬件器件的HR871181A。

综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims (5)

1.一种步进电机扭力测试仪主控板，包括微控制单元、存储器和磁粉离合器组，所述微控制单元采用工业级cotex-M4内核的32位微控制器，其特征是：所述磁粉离合器组设有四个磁粉离合器，并独立通过16位精度的D/A转换器连接到微控制器的I2C口，所述微控制单元设有数字电位器，所述数字电位器为单/双通道数字电位器，与微控制单元的模拟串行口连接，所述微控制器的SPI口扩展串行存储器，外部晶振12M且vbat引脚外接供电电源，所述微控制器还设有12路光耦隔离输入信号和4组TTL输入信号通过CMOS器件连接到微控制器IO口，所述微控制器设有四个IO口控制继电器的开合，产生四组步进机驱动信号。

2.根据权利要求1所述的一种步进电机扭力测试仪主控板，其特征是：所述CMOS器件为具有三态输出的八路正相缓冲器或线路驱动器。

3.根据权利要求1所述的一种步进电机扭力测试仪主控板，其特征是：所述主控板还包括有触摸屏，所述微控制单元内置有12位精度的A/D转换器，所述触摸屏通过A/D转换器与微控制单元连接。

4.根据权利要求1所述的一种步进电机扭力测试仪主控板，其特征是：所述微控制器还设有通讯模式接口，分别连接有嵌入式以太网控制器、双路独立收发器、3G手机模组。

5.根据权利要求1所述的一种步进电机扭力测试仪主控板，其特征是：所述微控制器还设有蜂鸣器和红绿LED灯。