CN106887983A - 带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器，包括有主控模块，主控模块通过通信模块连接上位机，主控模块通过SPI通信方式与步进电机驱动模块信号相接，步进电机驱动模块与步进电机连接；主控模块还分别连接存储模块、报警模块。本发明带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器，解决了步进电机驱动器在运动时必须外接编码器或光电开关检测装置才能进行堵转检测的问题。

Description

带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器

技术领域

本发明属于控制设备技术领域，具体涉及一种带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器。

背景技术

随着工业电子技术、电子集成技术和嵌入式技术的飞速发展，使步进电机控制系统在硬件和软件控制手段上发生了巨大的变化，在硬件控制手段上，传统的以数字晶体管等大规模集成电路为控制核心的步进电机系统渐渐消失在人们的视线中，取而代之的是PLC、单片机、FPGA、DSP等高端智能控制设备和芯片，也出现了与硬件相匹配的软件控制方式，比如：C语言、汇编语言等。由此可见：随着科技不断的发展，极大的推动了步进电机驱动控制系统的进步。

尽管步进电机驱动控制系统发展至今已趋近于成熟，但是在长期的使用中，研究者们还发现了一个难解决的问题是步进电机驱动控制器在运动的时候必须外接编码器或者光电开关检测装置才能进行堵转检测(堵转检测的目的在于：当步进电机发生堵转时，电机会自动停机，能避免电机系统受到无法修复的损伤)，而就现有技术而言，解决该问题的方案较为罕见。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器，解决了步进电机驱动器在运动时必须外接编码器或光电开关检测装置才能进行堵转检测的问题。

本发明所采用的技术方案是，带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器，包括有主控模块，主控模块通过通信模块连接上位机，主控模块通过SPI通信方式与步进电机驱动模块信号相接，步进电机驱动模块与步进电机连接；主控模块还分别连接存储模块、报警模块。

本发明的特点还在于：

主控模块采用48脚的STM32F103CBT6芯片，且48脚的STM32F103CBT6芯片内核是Cortex-M3，存储容量是128K，配置2个SPI接口、4个串口、1个CAN通信口、2个高级定时器、4个普通定时器。

步进电机驱动模块内采用L9942步进电机驱动芯片，该芯片通过SPI接口与CPU进行通信，实现各项参数的配置，及运动方式配置。

通信模块为RS485通信模块，且RS485通信模块内采用max485芯片，它是带隔离的增强型RS485收发器，其内部由三通道的隔离器以及分别带三态输入/输出的差分接收/驱动器构成。

存储模块内采用AT24C32芯片，且AT24C32芯片由32，768/65，536bits串行电可擦除和4096/8192 8bits可编程只读存储器组成。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的微型步进电机驱动控制器，是集主控模块、步进电机驱动模块及其它辅助设备为一体的机电一体化设备，可以配28或其他步进电机使用，具有经济实惠的特点(对比常规电机单独配驱动控制和编码器)，还能用在尺寸大的电机且无须太大力矩的位置控制领域。

(2)本发明的微型步进电机驱动控制器利用新型传感器器技术、新型步进电机驱动技术、步进电机堵转检测技术及可编程输出电流控制技术，其主要的技术如下：

(a)步进电机堵转监测：步进电机驱动模块包含逻辑模块用来检测由于机械负荷过大引起的步进电机堵转，在堵转情况下，负载电流上升的速度要比正常工作时的快，步进电机驱动模块通过检测这个时间并且与设定值进行比较，进而输出堵转标志位，系统进行判断处理；

(b)步进电机自适应混合曲线运动控制：研究步进电机自适应混合曲线运动控制算法，并将通过步进电机行程长短来选择最优电机运动控制方案，以便于解决初始脉冲频率过高导致的步进电机堵转误判问题；

(c)实时电流监测：本发明的微型步进电机驱动控制器具备强大的实时计算能力，实时监测相电流大小，实现更精准的电流控制，从而达到更平滑的运动控制效果和更高的闭环精度；

(d)编制专家软件设置参数、监测控制器运行情况：能实现数据采集、传输，及时了解控制器工作状态，并能通过软件对控制器各项参数进行配置。

(3)本发明的微型步进电机驱动控制器，克服了现有步进电机驱动器在运动时必须外接编码器或光电开关检测装置才能进行堵转检测的问题，应用市场前景广阔，使步进电机堵转检测技术在无位置传感器的情况下，通过检测步进电机驱动模块的负载电流上升速度的变化，进而输出堵转信号，判断步进电机是否堵转。

附图说明

图1是本发明带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器的结构示意图；

图2是本发明带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器内主控模块的电路图；

图3是本发明带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器内RS485通信模块的电路图；

图4是本发明带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器内存储模块的电路图；

图5是本发明带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器内报警模块的电路图；

图6是本发明带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器内步进电机驱动模块的电路图。

图中，1.主控模块，2.通信模块，3.上位机，4.存储模块，5.报警模块，6.步进电机驱动模块，7.步进电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器，如图1所示，包括有主控模块1，主控模块1通过通信模块2连接上位机3，主控模块1通过SPI通信方式与步进电机驱动模块6信号相接，步进电机驱动模块6与步进电机7连接；主控模块1还分别连接存储模块4、报警模块5。

主控模块1采用48脚的STM32F103CBT6芯片，STM32F1系列属于中低端的32位ARM微控制器，该系列芯片是意法半导体(ST)公司出品，如图2所示，其内核是Cortex-M3，存储容量是128K，配置2个SPI接口、4个串口、1个CAN通信口、2个高级定时器、4个普通定时器。

通信模块2为RS485通信模块，该RS485通信模块内采用max485芯片，如图3所示，它是带隔离的增强型RS485收发器，其内部由三通道的隔离器以及分别带三态输入/输出的差分接收/驱动器构成；最高可以有500Kbps的传输速率，其正常工作时需要分别在其逻辑端和总线端提供3V和5V电源供电；max485与其它RS485接口芯片相比，它可以不用在A、B两线附加上拉、下拉电阻，使用起来更方便快捷。

RS485通信模块的电路如图3所示，虽然ADM2483芯片能不用考虑A、B两线间的偏执电阻问题，但为了充分确保传输的准确性和稳定性，更可靠地防止因阻抗不连续和阻抗不匹配而引起的信号反射问题，在本发明中在其同相端A1和反相端B1两信号线间连接了一个120Ω的终端匹配电阻R67；同时，RS485通信模块的A和B信号线与地之间分别串了一个TVS管D10和D11以防止雷击和过电压。上拉电阻R68大小为4KΩ。滤波电容C82和C83采用的是0.1微法拉的贴片电容。通过485_EN1的高低电平对ADM2483芯片进行读写控制，当485_EN1为高电平时，DE为高，ADM2483芯片发送使能，就是说DSP能通过TXD下发控制(读取)命令并由同相端A1跟反相端B1下发到监测终端。反之，当485_EN1为低电平时，RE为高，ADM2483接收使能，DSP端可以通过RXD接收通过同相端A1和反相端B1读取来的终端数据。

存储模块4内采用AT24C32芯片，待数据采集完成后，需要对其进行存储，而且存储时间最长可能会达到半月甚至一月之久，累计的数据量是比较庞大的。AT24C32芯片由32，768/65，536bits串行电可擦除和4096/8192 8bits可编程只读存储器(EEPROM)组成；级联时允许最多8个设备共享一个2-wire总线，通过一个串行接口2-wire访问。存储模块4，如图4所示，其中对芯片管脚描述如下：

1)SCL：串行时钟引脚，用于产生器件数据发送或接收时的串行时钟信号输入；

2)SDA：双向串行数据/地址引脚，用于数据的发送或接收；SDA是一个漏极开路输出管脚，可与其它漏极开路输出或集电极开路输出进行线“或”接；

如图4所示，其中，分别通过阻值为10KΩ的上拉电阻R65和R71将上述的SCLA及SDAA两管脚连到了3.3V的电源高电平VDD33；

3)A0A1A2：器件地址输入端；级联时可以通过配置这三个管脚的高低电平设置器件地址，最多可配置23＝8个地址，因此其最多可级联8个器件；这里只使用了一个AT24C32，因此其A0、A1、A2都连接到了GND；

4)WP：写保护引脚；高电平有效，即当WP为高电平时，器件被写保护，只能进行读操作。这里要对存储模块4其进行读写双重操作，因此将WP连到了地GND。

报警模块5，如图5所示，是通过两个LED显示进行堵转报警。

步进电机驱动模块6内采用L9942步进电机驱动芯片，如图6所示，L9942步进电机驱动芯片是一款集成的双极步进电机驱动器，具有细分模式和可编程电流配置表，能灵活适应步进电机的特性和预期的工作情况；可以根据目标情况选用不同的电流配置表：噪音，振动，转速或者转矩。衰减模式用PWM电流控制电路中，可,编程设置成低速，高速，混合和自动衰减模式。在自动衰减模式下，如果下一步电流是增加的，器件会采用低速模式，如果下一步电流是衰减的，则会采用高速或者混合模式。

此处，步进电机驱动模块6(L9942步进电机驱动芯片)用来检测由于机械负荷过大引起的电机堵转。在堵转情况下负载电流上升的速度要比正常工作时的快，步进电机驱动模块6(L9942步进电机驱动芯片)就是检测这个时间并且与设定的值进行比较。在确定时间阀值时，步进电机7的电流摆率取决于驱动电压，步进电机7实际转速，步进电机7的反电动势以及电机和电感，需要确保设置的阀值可以在任何温度下都可以正常运行。

步进电机驱动模块6(L9942步进电机驱动芯片)与主控模块1之间采用SPI通信，SPI通信逻辑功能包括：电机步进时钟输入(STEP)，PWM输出(PWM)，串行外设接口(SPI)，反向片选(CSN)，串行数据输入(DI)，串行数据输出(DO)，串行时钟(CLK)，数据寄存器。

电机步进时钟输入(STEP)信号的上升沿被锁存，它被内部时钟同步，在下一个新的PWM周期开始时，新的输出电流限定值用来驱动电机到下一个位置。PWM输出反映了桥A内部PWM控制器的电流占空比，高电平表示导通状态，负载电流在增加；低电平表示在关断状态，负载电流根据选定的衰减模式在减小。将SPI通信配置成CPOL＝0并且CPHA＝0的模式来驱动芯片。在这种模式下，输入在CLK时钟从低向高变化的上升沿采样数据，输出在CLK时钟从高变成低时改变数据。

通过设置反向片选(CSN)为低电平检测故障状态。如果CSN＝0，DO脚会返回一个器件内部错误标志，此标志位与状态寄存器(L9942步进电机驱动芯片的)的所有位进行逻辑或运算包括电流配置存储模块4。主控模块1不需要完成整个通讯周期就可以获取芯片的状态。当CSN是高时，输出脚(DO)会处于高阻态，一个低信号会激活输出驱动器，可以开始串行通讯。

芯片有八个数据寄存器，开始出现在DI输入的三位(bit 0...bit2)，用来选择要写入的寄存器。所有位开始都是输入到移位寄存器。在CSN的上升沿后，输入到移位寄存器内的数据才会被写入的数据寄存器，此时只有一帧准确是16位的数据才能被检测到，被选定的寄存器内容在当前通讯帧内被传送到DO脚。

本发明带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器，在无外接传感器或编码器反馈情况下，通过对电流的实时检测，对步进电机7是否发生堵转进行判断；而堵转检测能有效防止电机为了转到位置发生堵转而长时间的运行；若检测到步进电机7发生堵转，立即切断电机使能，使步进电机7停机，对步进电机7进行保护。

Claims (5)

1.带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器，其特征在于，包括有主控模块(1)，所述主控模块(1)通过通信模块(2)连接上位机(3)，所述主控模块(1)通过SPI通信方式与步进电机驱动模块(6)信号相接，所述步进电机驱动模块(6)与步进电机(7)连接；所述主控模块(1)还分别连接存储模块(4)、报警模块(5)。

2.根据权利要求1所述的带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器，其特征在于，所述主控模块(1)采用48脚的STM32F103CBT6芯片，且所述48脚的STM32F103CBT6芯片内核是Cortex-M3，存储容量是128K，配置2个SPI接口、4个串口、1个CAN通信口、2个高级定时器、4个普通定时器。

3.根据权利要求1所述的带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器，其特征在于，所述通信模块(2)为RS485通信模块，且所述RS485通信模块内采用max485芯片，它是带隔离的增强型RS485收发器，其内部由三通道的隔离器以及分别带三态输入/输出的差分接收/驱动器构成。

4.根据权利要求1所述的带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器，其特征在于，所述存储模块(4)内采用AT24C32芯片，且所述AT24C32芯片由32，768/65，536bits串行电可擦除和4096/8192 8bits可编程只读存储器组成。

5.根据权利要求1所述的带堵转检测功能的微型步进电机驱动控制器，其特征在于，所述步进电机驱动模块(6)内采用L9942步进电机驱动芯片。