CN105871275A - 一种基于频率校正电路的高精度电机驱动闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率校正电路的高精度电机驱动闭环控制系统，主要由位置调节器，与位置调节器相连接的电流调节器，与电流调节器相连接的驱动电路，与驱动电路相连接的电机，与电机相连接的工作台，串接在工作台与位置调节器之间的光栅尺等组成。本发明通过光栅尺检测工作台的位置脉冲并反馈给位置调节器，位置调节器根据检测到的实际位移状态，来实时调整输出的脉冲数、频率，使步进电机稳定在正常运行状态，并使实际位置和指令位置一致，从而达到精确定位工作台。本发明设置有频率校正电路，其可以对光栅尺反馈的数字脉冲信号进行频率校正处理，避免因频率失真而影响位置调节器对电机的控制，提高了工作台的位移精度。

Description

一种基于频率校正电路的高精度电机驱动闭环控制系统

技术领域

本发明涉及一种电机控制系统，具体是指一种基于频率校正电路的高精度电机驱动闭环控制系统。

背景技术

目前，在对工作台进行控制时一般采用步进电机进行驱动控制。步进电机的主要优点之一是能在开环系统中保证一定的控制精度，但开环系统也具有一些缺点：如无法知道步进电机在点位运动的匀速阶段和起动的升速阶段是否失步，在步进结束时是否超步，以及由于负载变化而引起的速度变化，尤其当负载转矩较大且有冲击现象时，失步和丢步现象就显得十分突出，从而影响工作移动台的位移精度。如何实现工作台的准确定位则是目前的当务之急。

发明内容

本发明的目的在于克服传统的电机开环控制系统无法准确的控制电机，从而影响工作台的定位精度的缺陷，提供一种基于频率校正电路的高精度电机驱动闭环控制系统。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于频率校正电路的高精度电机驱动闭环控制系统，主要由位置调节器，与位置调节器相连接的电流调节器，与电流调节器相连接的驱动电路，与驱动电路相连接的电机，与电机相连接的工作台，串接在工作台与位置调节器之间的光栅尺，以及串接在电机与电流调节器之间的电流采集电路组成；为了更好的实施本发明，本发明在光栅尺与位置调节器之间还串接有频率校正电路；所述驱动电路由驱动芯片U1，三极管VT4，三极管VT5，场效应管MOS1，场效应管MOS2，负极与驱动芯片U1的HIN管脚相连接、正极则与三极管VT4的集电极相连接的电容C5，正极与驱动芯片U1的VDD管脚相连接、负极接地的极性电容C6，串接在极性电容C6的负极和驱动芯片U1的VSS管脚之间的电阻R10，一端与驱动芯片U1的COM管脚相连接、另一端接地的电阻R11，P极与驱动芯片U1的HO管脚相连接、N极则经电阻R15后与场效应管MOS1的漏极相连接的二极管D5，串接在驱动芯片U1的HO管脚和三极管VT5的基极之间的电阻R13，N极与驱动芯片U1的VB管脚相连接、P极则与驱动芯片U1的VCC管脚相连接的二极管D6，P极与驱动芯片U1的LO管脚相连接、N极则经电阻R14后与三极管VT5的集电极相连接的二极管D7，与二极管D7相并联的电阻R12，以及正极与场效应管MOS1的源极相连接、负极则与场效应管MOS1的漏极共同形成该驱动电路的信号输出端的电容C7组成；所述三极管VT4的基极形成该驱动电路的输入端并与电流调节器相连接，其发射极与驱动芯片U1的LIN管脚相连接；所述驱动芯片U1的VDD管脚接+15V电压，其VCC管脚接-15V电压；所述三极管VT5的发射极与二极管D5的N极相连接，其集电极则与场效应管MOS1的栅极相连接；所述场效应管MOS2的栅极与二极管D7的N极相连接，其漏极则与场效应管MOS1的源极相连接，其源极接地；所述驱动电路的信号输出端与电机相连接。

所述频率校正电路由校正芯片U2，三极管VT6，三极管VT7，三极管VT8，负极与校正芯片U2的IN+管脚相连接、正极则经电感L1后形成该频率校正电路的输入端的电容C9，负极经电阻R17后与校正芯片U2的IN-管脚相连接、正极则与三极管VT6的发射极相连接的电容C8，串接在三极管VT6的基极和校正芯片U2的VEE管脚之间的电阻R16，一端与三极管VT7的集电极相连接、另一端接地的电阻R19，正极与校正芯片U2的OUT管脚相连接、负极则与三极管VT7的发射极相连接的同时接地的电容C10，正极与校正芯片U2的CAP-管脚相连接、负极则与三极管VT8的基极相连接的电容C11，以及串接在校正芯片U2的VCC管脚和三极管VT8的集电极之间的电阻R18组成；所述三极管VT6的集电极与电容C9的正极相连接；所述校正芯片U2的ENBL管脚接15V电压，其CAP+管脚则与三极管VT7的基极相连接；所述三极管VT7的发射极与三极管VT8的发射极相连接的同时形成该频率校正电路的输出端并与位置调节器相连接；所述频率校正电路的输入端与光栅尺相连接。

所述电流采集电路由采样电路，与采样电路相连接的电压跟随电路，以及与电压跟随电路相连接的输出电路组成；所述电流采集电路的输入端与电机相连接、其输出端则与电流调节器的输入端相连接。

所述采样电路由三极管VT1，三极管VT2，一端与三极管VT1的发射极相连接、另一端与15V电压相连接的电阻R1，一端与三极管VT1的集电极相连接、另一端接地的电阻R2，串接在三极管VT2的集电极和三极管VT1的集电极之间的电阻R3，正极与三极管VT1的发射极相连接、负极则与三极管VT2的基极相连接的电容C1组成；所述三极管VT1的基极形成该电流采集电路的输入端并与电机相连接，其集电极则与电压跟随电路相连接；所述三极管VT2的发射极与电压跟随电路相连接。

所述电压跟随电路由放大器P1，放大器P2，放大器P3，串接在放大器P1的正极和输出端之间的电阻R5，一端与放大器P3的负极相连接、另一端接地的电阻R6，串接在放大器P2的正极和输出端之间的电阻R4，N极与放大器P3的输出端相连接、P极则与输出电路相连接的稳压二极管D2，P极与放大器P2的正极相连接、N极则与稳压二极管D2的N极相连接的二极管D1，以及正极与放大器P2的输出端相连接、负极则经电阻R7后与稳压二极管D2的P极相连接的电容C2组成；所述放大器P1的负极与三极管VT2的发射极相连接，其输出端则与放大器P3的正极相连接；所述放大器P2的负极与三极管VT1的集电极相连接；所述放大器P3的输出端和稳压二极管D2的N极均与输出电路相连接。

所述输出电路由三极管VT3，双向晶闸管D4，正极与稳压二极管D2的N极相连接、负极则与稳压二极管D2的P极相连接的极性电容C3，串接在稳压二极管D2的N极和三极管VT3的基极之间的电阻R8，正极与稳压二极管D2的P极相连接、负极则经电阻R9后与双向晶闸管D4的第一阳极相连接的电容C4，以及P极与放大器P3的输出端相连接、N极则与双向晶闸管D4的第二阳极相连接的二极管D3组成；所述三极管VT3的集电极与二极管D3的N极相连接，其发射极则与双向晶闸管D4的控制极相连接的同时接地；所述双向晶闸管D4的第二阳极则形成该电流采集电路的输出端并与电流调节器的输入端相连接。

所述驱动芯片U1为IR2110集成芯片，所述校正芯片U2为LT5538IDD集成芯片。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明通过光栅尺检测工作台的位置脉冲并反馈给位置调节器，位置调节器根据检测到的实际位移状态来实时调整输出的脉冲数、频率，使步进电机稳定在正常运行状态，并使工作台的实际位置和指令位置一致，从而可以精确定的位工作台。

(2)本发明可以实时检测电机的工作电流，并反馈给电流调节器，电流调节器根据检测到的实际电流与给定电流两者的差值来调节电流输出，由此控制电机的转速，以达到控制工作台移动速度的目的。

(3)本发明通过电流采集电路可以精确的对电机的实时工作电流进行采集并反馈给电流调节器，从而可以提高工作台的定位精度。

(4)本发明的驱动电路可以精确的对电机进行驱动，从而可以精确的控制工作台，使工作台到达设定的位置。

(5)本发明设置有频率校正电路，其可以对光栅尺反馈的数字脉冲信号进行频率校正处理，避免因频率失真而影响位置调节器对电机的控制，提高了工作台的位移精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的电流采集电路的结构示意图。

图3为本发明的驱动电路的结构示意图。

图4为本发明的频率校正电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例

如图1所示，本发明的一种基于频率校正电路的高精度电机驱动闭环控制系统，主要由位置调节器，与位置调节器相连接的电流调节器，与电流调节器相连接的驱动电路，与驱动电路相连接的电机，与电机相连接的工作台，与工作台相连接的光栅尺，串接在光栅尺和位置调节器之间的频率校正电路，以及串接在电机与电流调节器之间的电流采集电路组成。

其中，该工作台为电机的控制对象，其可以是机床的工作台。该电机用于驱动工作台移动，其采用传统的方式与工作台相连接。驱动电路用于驱动电机工作。电流采集电路用于采集电机的工作电流，并反馈给电流调节器。该电流调节器可以根据检测到的实际电流与给定电流两者的差值来调节电流输出，由此控制电机的转速，该电流调节器采用现有的电流调节器即可实现。光栅尺用于检测工作台的位移并输出相应的数字脉冲信号给位置调节器，该光栅尺安装在工作台上，其采用现有的技术即可。该频率校正电路对光栅尺反馈的数字脉冲信号进行处理。该位置调节器用于把光栅尺输出的位置信号与指令位置信号进行对比，计算出偏差控制信号并控制电机向消除误差方向旋转，直到工作台达到正确位置，该位置调节器采用现有技术即可。

如图2所示，所述电流采集电路由采样电路，与采样电路相连接的电压跟随电路，以及与电压跟随电路相连接的输出电路组成；所述电流采集的输入端与电机相连接、其输出端则与电流调节器的输入端相连接。

所述采样电路由三极管VT1，三极管VT2，电阻R1，电阻R2，电阻R3以及电容C1组成。其中，电阻R1的一端与三极管VT1的发射极相连接、其另一端与15V电压相连接。电阻R2的一端与三极管VT1的集电极相连接、其另一端接地。电阻R3串接在三极管VT2的集电极和三极管VT1的集电极之间。电容C1的正极与三极管VT1的发射极相连接、其负极则与三极管VT2的基极相连接。所述三极管VT1的基极形成该电流采集电路的输入端并与电机相连接，其集电极则与电压跟随电路相连接。所述三极管VT2的发射极与电压跟随电路相连接。该采样电路可以精确的采集电机中枢回路的电流。

所述电压跟随电路由放大器P1，放大器P2，放大器P3，电阻R4，电阻R5，电阻R6，电阻R7，电容C2，二极管D1以及稳压二极管D2组成。

连接时，电阻R5串接在放大器P1的正极和输出端之间。电阻R6的一端与放大器P3的负极相连接、其另一端接地。电阻R4串接在放大器P2的正极和输出端之间。稳压二极管D2的N极与放大器P3的输出端相连接、其P极则与输出电路相连接。二极管D1的P极与放大器P2的正极相连接、其N极则与稳压二极管D2的N极相连接。电容C2的正极与放大器P2的输出端相连接、其负极则经电阻R7后与稳压二极管D2的P极相连接。所述放大器P1的负极与三极管VT2的发射极相连接，其输出端则与放大器P3的正极相连接。所述放大器P2的负极与三极管VT1的集电极相连接。所述放大器P3的输出端和稳压二极管D2的N极均与输出电路相连接。该电压跟随电路可以确保采样电流在传输过程中保持恒定。

所述输出电路由三极管VT3，双向晶闸管D4，电阻R8，电阻R9，极性电容C3，电容C4以及二极管D3组成。其中，极性电容C3的正极与稳压二极管D2的N极相连接、其负极则与稳压二极管D2的P极相连接。电阻R8串接在稳压二极管D2的N极和三极管VT3的基极之间。电容C4的正极与稳压二极管D2的P极相连接、其负极则经电阻R9后与双向晶闸管D4的第一阳极相连接。二极管D3的P极与放大器P3的输出端相连接、其N极则与双向晶闸管D4的第二阳极相连接的组成。所述三极管VT3的集电极与二极管D3的N极相连接，其发射极则与双向晶闸管D4的控制极相连接的同时接地。所述双向晶闸管D4的第二阳极则形成该电流采集电路的输出端并与电流调节器相连接。

该电流采集电路采集到电机中枢电流后反馈给电流调节器，其采集到的电流与输出的电流大小相同，即采集到的电流在传输过程中维持恒定，从而可以使电流调节器能够更好的调节电机的工作电流。

如图3所示，所述驱动电路由驱动芯片U1，三极管VT4，三极管VT5，场效应管MOS1，场效应管MOS2，电阻R10，电阻R11，电阻R12，电阻R13，电阻R14，电阻R15，电容C5，极性电容C6，电容C7，二极管D5，二极管D6以及二极管D7组成。

连接时，电容C5的负极与驱动芯片U1的HIN管脚相连接、其正极则与三极管VT4的集电极相连接。极性电容C6的正极与驱动芯片U1的VDD管脚相连接、其负极接地。电阻R10串接在极性电容C6的负极和驱动芯片U1的VSS管脚之间。电阻R11的一端与驱动芯片U1的COM管脚相连接、其另一端接地。二极管D5的P极与驱动芯片U1的HO管脚相连接、其N极则经电阻R15后与场效应管MOS1的漏极相连接。电阻R13串接在驱动芯片U1的HO管脚和三极管VT5的基极之间。二极管D6的N极与驱动芯片U1的VB管脚相连接、其P极则与驱动芯片U1的VCC管脚相连接。二极管D7的P极与驱动芯片U1的LO管脚相连接、其N极则经电阻R14后与三极管VT5的集电极相连接。电阻R12与二极管D7相并联。正电容C7的极与场效应管MOS1的源极相连接、其负极则与场效应管MOS1的漏极共同形成该驱动电路的信号输出端并与电机相连接。

同时，所述三极管VT4的基极形成该驱动电路的输入端并与电流调节器相连接，其发射极与驱动芯片U1的LIN管脚相连接。所述驱动芯片U1的VDD管脚接+15V电压，其VCC管脚接-15V电压。所述三极管VT5的发射极与二极管D5的N极相连接，其集电极则与场效应管MOS1的栅极相连接。所述场效应管MOS2的栅极与二极管D7的N极相连接，其漏极则与场效应管MOS1的源极相连接，其源极接地。该驱动电路根据输入的信号对电机进行控制，使电机稳定在正常运行状态，并使工作台的实际位置和指令位置一致，从而达到精确定位工作台。为了达到更好的实施效果，所述驱动芯片U1优选为IR2110集成芯片来实现。

如图4所示，所述频率校正电路由校正芯片U2，三极管VT6，三极管VT7，三极管VT8，电感L1，电阻R16，电阻R17，电阻R18，电阻R19，电容C8，电容C9，电容C10以及电容C11组成。

其中，电容C9的负极与校正芯片U2的IN+管脚相连接、其正极则经电感L1后形成该频率校正电路的输入端并与光栅尺相连接。电容C8的负极经电阻R17后与校正芯片U2的IN-管脚相连接、其正极则与三极管VT6的发射极相连接。电阻R16串接在三极管VT6的基极和校正芯片U2的VEE管脚之间。电阻R19的一端与三极管VT7的集电极相连接、其另一端接地。电容C10的正极与校正芯片U2的OUT管脚相连接、其负极则与三极管VT7的发射极相连接的同时接地。电容C11的正极与校正芯片U2的CAP-管脚相连接、其负极则与三极管VT8的基极相连接。电阻R18串接在校正芯片U2的VCC管脚和三极管VT8的集电极之间。

所述三极管VT6的集电极与电容C9的正极相连接。所述校正芯片U2的ENBL管脚接15V电压，其CAP+管脚则与三极管VT7的基极相连接。所述三极管VT7的发射极与三极管VT8的发射极相连接的同时形成该频率校正电路的输出端并与位置调节器相连接。该频率校正电路可以对光栅尺反馈的数字脉冲信号进行频率校正处理，避免因频率失真而影响位置调节器对电机的控制，提高了工作台的位移精度。为了达到更好的实施效果，所述校正芯片U2优选为LT5538IDD集成芯片来实现。

工作时，向位置调节器输入工作台的位移指令信号，驱动电路则驱动电机工作，使电机带动工作台移动。由于负载或其它因素的影响，该工作台所移动的位置与指定位置会出现偏差，而光栅尺则检测工作台的实时位移信号，并把信号转换为相应的数字脉冲信号反馈给频率校正电路，频率校正电路对数字脉冲信号进行处理后发送给位置调节器。该位置调节器把反馈信号与指令信号进行对比计算出偏差控制信号，并输出相应的控制信号给驱动电路，使驱动电路控制电机向消除误差方向旋转，同时，该电流采集电路采集电机的实时工作电流并反馈给电流调节器，该电流调节器根据检测到的实际电流与给定电流两者的差值来调节电流输出，由此控制电机的转速，使工作台达到指定位置。

如上所述，便可很好的实现本发明。

Claims (7)

1.一种基于频率校正电路的高精度电机驱动闭环控制系统，主要由位置调节器，与位置调节器相连接的电流调节器，与电流调节器相连接的驱动电路，与驱动电路相连接的电机，与电机相连接的工作台，串接在工作台与位置调节器之间的光栅尺，以及串接在电机与电流调节器之间的电流采集电路组成；其特征在于，在光栅尺与位置调节器之间还串接有频率校正电路；所述驱动电路由驱动芯片U1，三极管VT4，三极管VT5，场效应管MOS1，场效应管MOS2，负极与驱动芯片U1的HIN管脚相连接、正极则与三极管VT4的集电极相连接的电容C5，正极与驱动芯片U1的VDD管脚相连接、负极接地的极性电容C6，串接在极性电容C6的负极和驱动芯片U1的VSS管脚之间的电阻R10，一端与驱动芯片U1的COM管脚相连接、另一端接地的电阻R11，P极与驱动芯片U1的HO管脚相连接、N极则经电阻R15后与场效应管MOS1的漏极相连接的二极管D5，串接在驱动芯片U1的HO管脚和三极管VT5的基极之间的电阻R13，N极与驱动芯片U1的VB管脚相连接、P极则与驱动芯片U1的VCC管脚相连接的二极管D6，P极与驱动芯片U1的LO管脚相连接、N极则经电阻R14后与三极管VT5的集电极相连接的二极管D7，与二极管D7相并联的电阻R12，以及正极与场效应管MOS1的源极相连接、负极则与场效应管MOS1的漏极共同形成该驱动电路的信号输出端的电容C7组成；所述三极管VT4的基极形成该驱动电路的输入端并与电流调节器相连接，其发射极与驱动芯片U1的LIN管脚相连接；所述驱动芯片U1的VDD管脚接+15V电压，其VCC管脚接-15V电压；所述三极管VT5的发射极与二极管D5的N极相连接，其集电极则与场效应管MOS1的栅极相连接；所述场效应管MOS2的栅极与二极管D7的N极相连接，其漏极则与场效应管MOS1的源极相连接，其源极接地；所述驱动电路的信号输出端与电机相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于频率校正电路的高精度电机驱动闭环控制系统，其特征在于：所述频率校正电路由校正芯片U2，三极管VT6，三极管VT7，三极管VT8，负极与校正芯片U2的IN+管脚相连接、正极则经电感L1后形成该频率校正电路的输入端的电容C9，负极经电阻R17后与校正芯片U2的IN-管脚相连接、正极则与三极管VT6的发射极相连接的电容C8，串接在三极管VT6的基极和校正芯片U2的VEE管脚之间的电阻R16，一端与三极管VT7的集电极相连接、另一端接地的电阻R19，正极与校正芯片U2的OUT管脚相连接、负极则与三极管VT7的发射极相连接的同时接地的电容C10，正极与校正芯片U2的CAP-管脚相连接、负极则与三极管VT8的基极相连接的电容C11，以及串接在校正芯片U2的VCC管脚和三极管VT8的集电极之间的电阻R18组成；所述三极管VT6的集电极与电容C9的正极相连接；所述校正芯片U2的ENBL管脚接15V电压，其CAP+管脚则与三极管VT7的基极相连接；所述三极管VT7的发射极与三极管VT8的发射极相连接的同时形成该频率校正电路的输出端并与位置调节器相连接；所述频率校正电路的输入端与光栅尺相连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于频率校正电路的高精度电机驱动闭环控制系统，其特征在于：所述电流采集电路由采样电路，与采样电路相连接的电压跟随电路，以及与电压跟随电路相连接的输出电路组成；所述电流采集电路的输入端与电机相连接、其输出端则与电流调节器的输入端相连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于频率校正电路的高精度电机驱动闭环控制系统，其特征在于：所述采样电路由三极管VT1，三极管VT2，一端与三极管VT1的发射极相连接、另一端与15V电压相连接的电阻R1，一端与三极管VT1的集电极相连接、另一端接地的电阻R2，串接在三极管VT2的集电极和三极管VT1的集电极之间的电阻R3，正极与三极管VT1的发射极相连接、负极则与三极管VT2的基极相连接的电容C1组成；所述三极管VT1的基极形成该电流采集电路的输入端并与电机相连接，其集电极则与电压跟随电路相连接；所述三极管VT2的发射极与电压跟随电路相连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于频率校正电路的高精度电机驱动闭环控制系统，其特征在于：所述电压跟随电路由放大器P1，放大器P2，放大器P3，串接在放大器P1的正极和输出端之间的电阻R5，一端与放大器P3的负极相连接、另一端接地的电阻R6，串接在放大器P2的正极和输出端之间的电阻R4，N极与放大器P3的输出端相连接、P极则与输出电路相连接的稳压二极管D2，P极与放大器P2的正极相连接、N极则与稳压二极管D2的N极相连接的二极管D1，以及正极与放大器P2的输出端相连接、负极则经电阻R7后与稳压二极管D2的P极相连接的电容C2组成；所述放大器P1的负极与三极管VT2的发射极相连接，其输出端则与放大器P3的正极相连接；所述放大器P2的负极与三极管VT1的集电极相连接；所述放大器P3的输出端和稳压二极管D2的N极均与输出电路相连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于频率校正电路的高精度电机驱动闭环控制系统，其特征在于：所述输出电路由三极管VT3，双向晶闸管D4，正极与稳压二极管D2的N极相连接、负极则与稳压二极管D2的P极相连接的极性电容C3，串接在稳压二极管D2的N极和三极管VT3的基极之间的电阻R8，正极与稳压二极管D2的P极相连接、负极则经电阻R9后与双向晶闸管D4的第一阳极相连接的电容C4，以及P极与放大器P3的输出端相连接、N极则与双向晶闸管D4的第二阳极相连接的二极管D3组成；所述三极管VT3的集电极与二极管D3的N极相连接，其发射极则与双向晶闸管D4的控制极相连接的同时接地；所述双向晶闸管D4的第二阳极则形成该电流采集电路的输出端并与电流调节器的输入端相连接。

7.根据权利要求6所述的一种基于频率校正电路的高精度电机驱动闭环控制系统，其特征在于：所述驱动芯片U1为IR2110集成芯片，所述校正芯片U2为LT5538IDD集成芯片。