CN107508513A - 一种单相电源线发送步进电机调速信号的方法 - Google Patents

Abstract

一种单相电源线发送步进电机调速信号的方法，由变压器、控制电源模块、可控整流模块、过零检测模块、单片机控制模块、触发控制模块、速度给定模块组成的整流控制单元实现。整流控制单元输入单相220V交流电源，输出可控整流电压，在可控整流电压中发送包含电机运行方向和运行速度等级的速度控制信号；速度控制信号包括由3工频周期的方向引导波和多个工频周期组成的速度数据波。步进电机速度调节由整流控制单元和速度调节单元组成的装置实现，速度调节单元输入含速度控制信号的可控整流电压，控制步进电机的速度。所述方法无需遥控器，无需单独敷设控制线，直接利用单相电源线传输速度控制信号，可实现远距离步进电机速度的控制调节。

Description

一种单相电源线发送步进电机调速信号的方法

本发明专利申请为分案申请，原案申请号为201510386832.6，申请日为2015年7月6日，发明名称为一种步进电机远距离调速的方法。

技术领域

本发明涉及一种电机调速技术，尤其是一种单相电源线发送步进电机调速信号的方法。

背景技术

需要对步进电机的速度进行远程控制与调节时，通常的方法有：

一是采用遥控器控制。步进电机的驱动控制电路装有遥控器接收装置，可以通过遥控器对步进电机进行有级调速或者是无级调速，其缺点是需要配备遥控器，管理麻烦，遥控器还容易丢失。

二是采用数字控制技术。例如，采用RS－485总线来对步进电机的速度进行控制。该方案技术先进，但成本高，系统除需要布设电力线外，还需要布设数字控制总线。

三是采用模拟信号控制技术。例如，采用远程电位器进行速度控制，成本较低。但该方法同样需要增加控制线，且抗干扰能力较差。

发明内容

本发明的目的旨在不增加控制信号线和不使用遥控器的情况下，提供一种利用单相电源线发送步进电机调速信号的方法。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种单相电源线发送步进电机调速信号的方法，由整流控制单元实现。

所述整流控制单元设有相线输入端子、零线输入端子、第一可控整流输出端子、第二可控整流输出端子；所述相线输入端子、零线输入端子输入单相220V交流电源；所述第一可控整流输出端子、第二可控整流输出端子输出可控整流电压。

步进电机的速度控制由整流控制单元和速度调节单元组成的装置实现。所述速度调节单元设有第一可控整流输入端子、第二可控整流输入端子，所述第一可控整流输入端子、第二可控整流输入端子分别连接至整流控制单元的第一可控整流输出端子、第二可控整流输出端子。

所述整流控制单元由变压器、控制电源模块、可控整流模块、过零检测模块、单片机控制模块、触发控制模块、速度给定模块组成。

所述变压器的两个输入端子分别为相线输入端子、零线输入端子，两个输出端子分别为第一交流端子、第二交流端子；所述第一交流端子、第二交流端子输出第二交流电源。

所述控制电源模块由控制电源单相整流桥和第一滤波稳压电路组成，输出第一直流工作电源；所述控制电源单相整流桥的两个交流输入端分别连接至第一交流端子、第二交流端子；所述控制电源单相整流桥的整流负极性端为公共地。

所述可控整流模块由整流桥UR1、双向晶闸管V1、双向晶闸管V2、双向晶闸管V3、双向晶闸管V4组成；所述整流桥UR1的2个交流输入端分别连接至第一交流端子和第二交流端子，整流输出正端连接至双向晶闸管V3的第二阳极，整流输出负端连接至双向晶闸管V4的第二阳极；双向晶闸管V1的第一阳极与双向晶闸管V3的第一阳极并联后连接至第一可控整流输出端子；双向晶闸管V1的第二阳极连接至第一交流端子；双向晶闸管V2的第一阳极与双向晶闸管V4的第一阳极并联后连接至第二可控整流输出端子；双向晶闸管V2的第二阳极连接至第二交流端子。

所述触发控制模块设有交流控制输入端、整流控制输入端；所述交流控制输入端输入的交流控制信号有效时，触发控制模块控制双向晶闸管V1和双向晶闸管V2过零时触发导通；所述交流控制输入端输入的交流控制信号无效时，触发控制模块控制双向晶闸管V1和双向晶闸管V2过零后截止；所述整流控制输入端输入的整流控制信号有效时，触发控制模块控制双向晶闸管V3和双向晶闸管V4过零时触发导通；所述整流控制输入端输入的整流控制信号无效时，触发控制模块控制双向晶闸管V3和双向晶闸管V4过零后截止。

所述过零检测模块设有过零电压输入端、过零脉冲输出端；所述过零电压输入端连接至第一交流端子；所述过零脉冲输出端输出的过零脉冲是正脉冲；所述过零脉冲与第二交流电源正半波对应；所述过零脉冲的宽度小于第二交流电源正半波宽度；所述第二交流电源正半波为第一交流端子电位高于第二交流端子电位的第二交流电源半波。

所述速度给定模块设有速度给定信号输出端和方向给定信号输出端。

所述单片机控制模块包括有速度给定信号输入端、方向给定信号输入端、捕捉信号输入端和两路电平信号输出端；所述速度给定信号输入端连接至速度给定模块的速度给定信号输出端；所述方向给定信号输入端连接至速度给定模块的方向给定信号输出端；所述捕捉信号输入端连接至过零检测模块的过零脉冲输出端；所述两路电平信号输出端分别为交流控制输出端、整流控制输出端；所述交流控制输出端、整流控制输出端分别连接至触发控制模块的交流控制输入端、整流控制输入端。

所述速度调节单元由调节电源模块、波形取样模块、单片机调节模块、步进电机驱动模块组成。

所述调节电源模块输入可控整流电压、输出第二直流工作电源，由调节电源单相整流桥和第二滤波稳压电路组成；所述调节电源单相整流桥的整流负极性端为参考地。

所述波形取样模块设有取样波形输入端和取样脉冲输出端；所述取样波形输入端连接至第二可控整流输入端子；所述波形取样模块将第二可控整流输入端子电位高于第一可控整流输入端子电位的波形检出并限幅得到取样脉冲；所述取样脉冲的正脉冲与第二可控整流输入端子电位高于第一可控整流输入端子电位的波形相对应。

所述单片机调节模块具有捕捉输入端和调速脉冲输出端、方向控制输出端；单片机调节模块的捕捉输入端连接至波形取样模块的取样脉冲输出端。

所述步进电机驱动模块用于驱动步进电机，设有调速脉冲输入端、方向控制输入端；所述调速脉冲输入端连接至单片机调节模块的调速脉冲输出端，方向控制输入端连接至单片机调节模块的方向控制输出端。

所述整流控制单元通过控制可控整流电压来发送速度控制信号，速度控制信号由方向引导波和速度数据波组成。

所述方向引导波有两种；控制步进电机正转时，方向引导波由2个工频周期整流波和1个工频周期的交流波组成，整流波在前，交流波在后；控制步进电机反转时，方向引导波由1个工频周期整流波和2个工频周期的交流波组成，整流波在前，交流波在后。

所述速度数据波为x个工频周期的可控整流电压波，x为大于等于2的整数。

所述速度控制信号共有速度1－n，共n个速度等级；所述速度给定信号的速度等级有速度1－n；n为大于等于2的整数。

所述速度数据波为x个工频周期的可控整流电压波，x为大于等于2的整数。

所述x个工频周期的可控整流电压波中，1个工频周期对应1位速度码；x个工频周期的可控整流电压波对应x位速度码。所述速度码为二进制码。

所述n与x之间的关系为：n小于等于2^x。

所述单片机控制模块发出一次速度控制信号的方法是，

步骤1，等待，直到接收到过零脉冲的上升沿时进入步骤2；

步骤2，停止交流输出，开始整流输出；等待，直到接收到过零脉冲的上升沿时进入步骤3；

步骤3，发出1个工频周期的方向波；等待，直到接收到过零脉冲的上升沿时进入步骤4；

步骤4，停止整流输出，开始交流输出；等待，直到接收到过零脉冲的上升沿时进入步骤5；

步骤5，发出1个工频周期的可控整流电压波；等待，直到接收到过零脉冲的上升沿时进入步骤6；

步骤6，已经发出x个工频周期的可控整流电压波时转到步骤7，否则返回步骤5；

步骤7，停止整流输出，开始交流输出。

所述整流控制单元发送速度控制信号的方法是，

步骤A，读取给定信号；

步骤B，发出一次速度控制信号；

步骤C，判断速度是否发生改变，速度发生改变，返回步骤B；速度没有发生改变，返回步骤C。

所述速度调节单元接收速度控制信号并调节步进电机速度的方法是，

步骤一，电机控制初始化；

步骤二，判断是否有速度控制信号；没有速度控制信号，返回步骤二；有速度控制信号，转到步骤三；

步骤三，接收速度控制信号；

步骤四，调节步进电机速度；返回步骤二。

所述判断是否有速度控制信号，方法为判断可控整流电压中是否有方向引导波。

所述判断可控整流电压中是否有方向引导波的方法是，判断取样脉冲中工频周期矩形波之后超过工频周期宽度的低电平区间工频周期数；在工频周期矩形波之后的取样脉冲中有工频周期数为2的低电平区间，则可控整流电压中有控制步进电机正转的方向引导波；在工频周期矩形波之后的取样脉冲中有工频周期数为1的低电平区间，则可控整流电压中有控制步进电机反转的方向引导波；在工频周期矩形波之后的取样脉冲中没有工频周期数为1或者2的低电平区间，则可控整流电压中没有方向引导波。

所述判断取样脉冲中工频周期矩形波之后超过工频周期宽度的低电平区间工频周期数的方法是，对取样脉冲中工频周期矩形波之后超过工频周期宽度的低电平脉冲测量宽度，设测量得到的超过工频周期宽度的低电平脉冲宽度为W，则该低电平区间的工频周期数为INT(W/20)；INT函数的功能是舍去小数部分取整。

所述接收速度控制信号的方法是，接收x个工频周期的可控整流电压波转换为x位速度码，将速度码转换为速度控制信号的速度等级。

所述接收x个工频周期的可控整流电压波转换为x位速度码，其方法是：

在方向引导波之后的x个工频周期区间中，当1个工频周期区间的取样脉冲为低电平时，相应的该位速度码为1，当1个工频周期区间的取样脉冲为1个占空比小于50％的矩形波时，相应的该位速度码为0；

其方法或者是：

在方向引导波之后的x个工频周期区间中，当1个工频周期区间的取样脉冲为低电平时，相应的该位速度码为0，当1个工频周期区间的取样脉冲为1个占空比小于50％的矩形波时，相应的该位速度码为1。

所述停止交流输出，是指控制交流控制输出端输出无效信号；所述开始整流输出，是指控制整流控制输出端输出有效信号；所述开始交流输出，是指控制交流控制输出端输出有效信号；所述停止整流输出，是指控制整流控制输出端输出无效信号。

所述判断速度是否发生改变的方法是，速度给定信号的速度等级发生改变，或者方向给定信号发生改变，则速度发生改变。

所述调节步进电机速度的方法是，单片机调节模块接收到的速度控制信号中，方向引导波没有改变时，根据速度码对应的速度等级控制步进电机的速度；单片机调节模块接收到的速度控制信号中，方向引导波发生改变时，先控制步进电机减速停转，再根据速度码对应的速度等级控制步进电机的速度。

本发明的有益效果是，采用单相电源线远距离发送控制步进电机的调速信号，无需遥控器，无需控制线；步进电机速度可以根据需要分成多个等级；采用整流波传送速度控制信号，其有效值与交流波相同，不会造成步进电机速度调节时供电电源的不稳定。

附图说明

图1是由整流控制单元和速度调节单元组成的步进电机的控制装置系统结构框图。

图2是整流控制单元结构图。

图3是可控整流模块实施例电路图。

图4是触发控制模块实施例电路图。

图5是整流控制单元中控制部分实施例电路图。

图6是发送正向速度控制信号时波形示意图。

图7是发送反向速度控制信号时波形示意图。

图8是速度控制信号发送方法。

图9是速度调节单元结构图。

图10是速度调节单元调节部分实施例电路图。

图11是步进电机驱动模块实施例电路图。

图12是速度接收与调节方法。

具体实施方式

下面通过附图并结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

由整流控制单元和速度调节单元组成的步进电机的控制装置系统结构如图1所示。整流控制单元由相线输入端子L、零线输入端子N输入单相220V交流电源，由第一可控整流输出端子AC1、第二可控整流输出端子AC2输出可控整流电压。速度调节单元由第一可控整流输入端子AC1、第二可控整流输入端子AC2输入可控整流电压并控制步进电机速度。

整流控制单元的结构如图2所示，由变压器、控制电源模块、可控整流模块、过零检测模块、单片机控制模块、触发控制模块、速度给定模块组成。

变压器的两个输入端子分别为相线输入端子L、零线输入端子N，两个输出端子分别为第一交流端子L1、第二交流端子N1。第一交流端子L1、第二交流端子N1输出第二交流电源。第二交流电源的电压有效值低于整流控制单元输入的单相220V交流电源的电压有效值。

可控整流模块的实施例如图3所示，由整流桥UR1、双向晶闸管V1、双向晶闸管V2、双向晶闸管V3、双向晶闸管V4组成。整流桥UR1的2个交流输入端分别连接至第一交流端子L1和第二交流端子N1，整流输出正端连接至双向晶闸管V3的第二阳极，整流输出负端连接至双向晶闸管V4的第二阳极；双向晶闸管V1的第一阳极与双向晶闸管V3的第一阳极并联后连接至第一可控整流输出端子AC1；双向晶闸管V1的第二阳极连接至第一交流端子L1；双向晶闸管V2的第一阳极与双向晶闸管V4的第一阳极并联后连接至第二可控整流输出端子AC2；双向晶闸管V2的第二阳极连接至第二交流端子N1。

双向晶闸管V1的触发脉冲从其控制极K11和第一阳极K12输入，双向晶闸管V2的触发脉冲从其控制极K21和第一阳极K22输入，双向晶闸管V3的触发脉冲从其控制极K31和第一阳极K32输入，双向晶闸管V4的触发脉冲从其控制极K41和第一阳极K42输入。

整流桥UR1采用单相整流桥堆，或者是采用4个二极管组成单相整流桥代替。

触发控制模块为满足以下功能的电路：设有交流控制输入端、整流控制输入端；交流控制输入端输入的交流控制信号有效时，触发控制模块控制双向晶闸管V1和双向晶闸管V2过零时触发导通；交流控制输入端输入的交流控制信号无效时，触发控制模块控制双向晶闸管V1和双向晶闸管V2过零后截止；整流控制输入端输入的整流控制信号有效时，触发控制模块控制双向晶闸管V3和双向晶闸管V4过零时触发导通；整流控制输入端输入的整流控制信号无效时，触发控制模块控制双向晶闸管V3和双向晶闸管V4过零后截止。

触发控制模块的实施例如图4所示，由过零触发光耦U1－U4和输入限流电阻R1－R4、输出限流电阻R5－R8组成，设有交流控制输入端KJ、整流控制输入端KZ。过零触发光耦U1－U4的内部包括有输入发光二极管、输出光控双向晶闸管，以及过零触发电路。过零触发光耦U1－U4的型号在MOC3041、MOC3042、MOC3043、MOC3061、MOC3062、MOC3063中选择。

输入限流电阻R1与过零触发光耦U1的输入发光二极管串联，串联电路再并联至第一直流工作电源VDD1和交流控制输入端KJ。输入限流电阻R1串联在过零触发光耦U1的输入发光二极管阳极，如图4所示；输入限流电阻R1也可以串联在过零触发光耦U1的输入发光二极管的阴极。

输入限流电阻R2与过零触发光耦U2的输入发光二极管串联，串联电路再并联至第一直流工作电源VDD1和交流控制输入端KJ。输入限流电阻R3与过零触发光耦U3的输入发光二极管串联，串联电路再并联至第一直流工作电源VDD1和整流控制输入端KZ。输入限流电阻R4与过零触发光耦U4的输入发光二极管串联，串联电路再并联至第一直流工作电源VDD1和整流控制输入端KZ。输入限流电阻R2－R4可以串联在相应过零触发光耦的输入发光二极管阳极，如图4所示；也可以串联在相应过零触发光耦的输入发光二极管阴极。

输出限流电阻R5与过零触发光耦U1内部输出光控双向晶闸管串联后再并联至双向晶闸管V1的控制极K11和第一阳极K12；输出限流电阻R6与过零触发光耦U2内部输出光控双向晶闸管串联后再并联至双向晶闸管V2的控制极K21和第一阳极K22；输出限流电阻R7与过零触发光耦U3内部输出光控双向晶闸管串联后再并联至双向晶闸管V3的控制极K31和第一阳极K32；输出限流电阻R8与过零触发光耦U4内部输出光控双向晶闸管串联后再并联至双向晶闸管V4的控制极K41和第一阳极K42。

整流控制单元中控制部分包括控制电源模块、过零检测模块、单片机控制模块、速度给定模块，其实施例电路如图5所示。

控制电源模块输入为第二交流电源，输出为向整流控制单元提供的第一直流工作电源VDD1。图5实施例中，控制电源模块由二极管D01、二极管D02、二极管D03、二极管D04、电容C1、三端稳压器U5组成。二极管D01、二极管D02、二极管D03、二极管D04组成控制电源单相整流桥；电容C1并联在控制电源单相整流桥的直流电压输出端，起滤波作用；三端稳压器U5输入端VIN连接至控制电源单相整流桥的整流正极性端；第一直流工作电源VDD1从三端稳压器U5输出端VOUT输出。控制电源单相整流桥的整流负极性端为公共地。三端稳压器U5选择H7133。

控制电源模块还可以采用其他实现方案。二极管D01、二极管D02、二极管D03、二极管D04组成的控制电源单相整流桥可以用单相整流桥堆代替，三端稳压器U5可以采用稳压管稳压电路或者DC/DC稳压器。

过零检测模块为具有以下功能的电路：设有过零电压输入端、过零脉冲输出端；过零电压输入端连接至第一交流端子；过零脉冲输出端输出的过零脉冲是正脉冲；过零脉冲与第二交流电源正半波对应；过零脉冲的宽度小于第二交流电源正半波宽度；第二交流电源正半波为第一交流端子电位高于第二交流端子电位的第二交流电源半波。

图5实施例中，过零检测模块为检波整形电路，由二极管D1、电阻R9、稳压管DW1组成。电阻R9的两端分别连接至二极管D1阴极与稳压管DW1阴极，二极管D1阳极连接至第一交流端子L1，稳压管DW1阳极连接至公共地。稳压管DW1阴极为输出过零脉冲的过零脉冲输出端。

速度给定模块设有速度给定信号输出端和方向给定信号输出端，速度给定信号输出端输出速度给定信号，方向给定信号输出端输出方向给定信号。所述速度控制信号共有速度1－n，共n个速度等级；n为大于等于2的整数。

图5实施例中，速度给定模块采用电位器RW1对第一直流工作电源VDD1进行分压，得到的速度给定信号为速度给定电压。将电位器RW1输出的速度给定电压平均分成n个区间，最低电压区间速度给定信号的速度等级为速度1，最高电压区间速度给定信号的速度等级为速度n；速度给定电压的n个区间分别与速度等级的速度1－n对应。速度给定模块也可以采用旋转编码器、拨码开关、脉冲电位器等其他装置实现。图5实施例中，速度给定模块采用方向开关SWD输出方向给定信号，方向开关SWD的一定接公共地，另外一端为方向给定信号输出端。

单片机控制模块包括有1路速度给定信号输入端，1路方向给定信号输入端，1路捕捉信号输入端，2路电平信号输出端。1路速度给定信号输入端连接至速度给定模块的速度给定信号输出端；1路方向给定信号输入端连接至速度给定模块的方向给定信号输出端；1路捕捉信号输入端连接至过零检测模块的过零脉冲输出端，输入过零脉冲；2路电平信号输出端为交流控制输出端KJ、整流控制输出端KZ，分别连接至触发控制模块的交流控制输入端KJ、整流控制输入端KZ。

图5实施例中，单片机控制模块由单片机MCU1、晶体振荡器XT1组成，单片机MCU1的型号是MSP430G2553。单片机MCU1的模拟电压输入端A0(P1.0)为速度给定信号输入端，电位器RW1的输出电压连接至单片机MCU1的模拟电压输入端A0(P1.0)。如果采用其他装置发出开关量、数字量形式的速度给定信号，可以从单片机MCU1的I/O口输入。单片机MCU1通过对模拟电压输入端A0输入的速度给定电压进行A/D转换，或者是读取I/O口的输入信号，得到速度给定信号的速度等级。单片机MCU1的P2.0是捕捉信号输入端，连接至过零检测模块的过零脉冲输出端。单片机MCU1的P1.3是方向给定信号输入端，连接至速度给定模块的方向给定信号输出端。单片机MCU1的P1.1、P1.2是电平信号输出端，其中P1.1是交流控制输出端KJ，P1.2是整流控制输出端KZ；交流控制输出端KJ、整流控制输出端KZ分别连接至触发控制模块的交流控制输入端KJ、整流控制输入端KZ。

整流控制单元的第一可控整流输出端子AC1、第二可控整流输出端子AC2输出可控整流电压，整流控制单元通过控制可控整流电压来发送速度控制信号，速度控制信号由方向引导波和速度数据波组成。可控整流电压的有效值与第二交流电源的电压有效值相同。

所述方向引导波有两种；控制步进电机正转时，方向引导波由2个工频周期整流波和1个工频周期的交流波组成，整流波在前，交流波在后；控制步进电机反转时，方向引导波由1个工频周期整流波和2个工频周期的交流波组成，整流波在前，交流波在后。

所述速度数据波为x个工频周期的可控整流电压波，x为大于等于2的整数。所述速度控制信号共有速度1－n，共n个速度等级；速度控制信号速度等级的速度1－n与速度给定信号速度等级的速度1－n之间一一对应。速度等级的速度1对应的步进电机状态为制动状态。n与x之间的关系为：n小于等于2^x。

x个工频周期的可控整流电压波中，1个工频周期对应1位速度码，x个工频周期的可控整流电压波对应x位速度码；每个工频周期中，其可控整流电压波为交流波时，对应的1位速度码是0；每个工频周期中，其可控整流电压波为整流波时，对应的1位速度码是1。或者是x个工频周期的可控整流电压波中，1个工频周期对应1位速度码；每个工频周期中，其可控整流电压波为交流波时，对应的1位速度码是1；每个工频周期中，其可控整流电压波为整流波时，对应的1位速度码是0。所述速度码为二进制码。

整流控制单元发送速度控制信号时波形实施例如图6、图7所示，实施例中x等于6，速度控制信号共有速度1－64，共64个速度等级。实施例的6个工频周期的可控整流电压波中，1个工频周期对应1位速度码；每个工频周期中，其可控整流电压波为交流波时，对应的速度码是0；每个工频周期中，其可控整流电压波为整流波时，对应的速度码是1。6位速度码的范围是00000－11111，代表的速度等级范围是速度1－64。

图6所示发送的是控制步进电机正转、速度等级为速度23的速度控制信号。图6(a)为可控整流电压的波形，其中的T1区间为方向引导波，由2个工频周期的整流波和1个工频周期的交流波组成。T2区间为速度数据波，即6个工频周期的可控整流电压波，6个工频周期依次为交流波、整流波、交流波、整流波、整流波、交流波，相应的6位速度码是010110，速度控制信号的速度等级为速度23。

图7所示发送的是控制步进电机反转、速度等级为速度29的速度控制信号。图7(a)为可控整流电压的波形，其中的T11区间为方向引导波，由1个工频周期的整流波和2个工频周期的交流波组成。T12区间为速度数据波，即6个工频周期的可控整流电压波，6个工频周期依次为交流波、整流波、整流波、整流波、交流波、交流波，相应的6位速度码是011100，速度控制信号的速度等级为速度29。

单片机控制模块发出一次速度控制信号的步骤如下：

步骤1，等待，直到接收到过零脉冲的上升沿时进入步骤2；

步骤2，停止交流输出，开始整流输出；等待，直到接收到过零脉冲的上升沿时进入步骤3；

步骤3，发出1个工频周期的方向波；等待，直到接收到过零脉冲的上升沿时进入步骤4；

步骤4，停止整流输出，开始交流输出；等待，直到接收到过零脉冲的上升沿时进入步骤5；

步骤5，发出1个工频周期的可控整流电压波；等待，直到接收到过零脉冲的上升沿时进入步骤6；

步骤6，已经发出x个工频周期的可控整流电压波时转到步骤7，否则返回步骤5；

步骤7，停止整流输出，开始交流输出。

整流控制单元在正常的维持不发出速度控制信号状态时，单片机控制模块控制交流控制输出端KJ输出有效信号，整流控制输出端KZ输出无效信号，过零触发光耦U1和U2的输入发光二极管导通，过零触发光耦U3和U4的输入发光二极管截止，双向晶闸管V1、双向晶闸管V2导通，双向晶闸管V3、双向晶闸管V4截止，第一可控整流输出端子AC1、第二可控整流输出端子AC2输出的可控整流电压为交流电压。在图4所示的实施例中，单片机控制模块输出的交流控制输出端KJ、整流控制输出端KZ的信号为低电平有效。

图5所示过零检测模块输出的过零脉冲与第二交流电源的正半波对应，且过零脉冲的宽度小于第二交流电源正半波宽度。所述第二交流电源正半波为第一交流端子电位高于第二交流端子电位的第二交流电源半波。

单片机控制模块检测到与图6中半波1，或者是图7中半波2相对应的过零脉冲上升沿后，进入步骤2。所述停止交流输出，是指控制交流控制输出端KJ输出无效信号，从第二交流电源的下一个过零点开始，双向晶闸管V1、双向晶闸管V2截止；所述开始整流输出，是指控制整流控制输出端KZ输出有效信号，从第二交流电源的下一个过零点开始，双向晶闸管V3、双向晶闸管V4导通，第一可控整流输出端子AC1、第二可控整流输出端子AC2输出的可控整流电压为整流电压。

所述停止整流输出，是指控制整流控制输出端KZ输出无效信号，从第二交流电源的下一个过零点开始，双向晶闸管V3、双向晶闸管V4截止；所述开始交流输出，是指控制交流控制输出端KJ输出有效信号，从第二交流电源的下一个过零点开始，双向晶闸管V1、双向晶闸管V2导通，第一可控整流输出端子AC1、第二可控整流输出端子AC2输出的可控整流电压为交流电压。

所述发出1个工频周期的方向波，其方法是，控制步进电机正转时，停止交流输出，开始整流输出；控制步进电机反转时，停止整流输出，开始交流输出。

所述发出1个工频周期的可控整流电压波，其方法是，判断需要发出的该工频周期的可控整流电压波是交流波还是整流波，如果是交流波，则停止整流输出，开始交流输出；如果是整流波，则停止交流输出，开始整流输出。

所述可控整流电压波或者是方向波中的每个单工频周期是交流波，或者是整流波；单工频周期的交流波由1个单相交流电源正半波和1个单相交流电源负半波组成，正半波在前，负半波在后；单工频周期的整流波由2个整流半波组成，第一个整流半波与第二交流电源正半波对应，第二个整流半波与第二交流电源负半波对应。所述工频周期的时间为20ms。所述单工频周期为1个工频周期。

整流控制单元发送速度控制信号的方法如图8所示，包括：

步骤A，读取给定信号；

步骤B，发出一次速度控制信号；

步骤C，判断速度是否发生改变，速度发生改变，返回步骤B；速度没有发生改变，返回步骤C。

判断速度是否发生改变的方法是，速度给定信号的速度等级发生改变，或者方向给定信号发生改变，则速度发生改变。

速度调节单元的结构如图9所示，由调节电源模块、波形取样模块、单片机调节模块、步进电机驱动模块组成。

速度调节单元的调节部分包括调节电源模块、波形取样模块、单片机调节模块，其实施例如图10所示。

调节电源模块为速度调节单元提供第二直流工作电源VDD2。图10所示实施例中，调节电源模块由二极管D05、二极管D06、二极管D07、二极管D08、电容C2、三端稳压器U6组成。二极管D05、二极管D06、二极管D07、二极管D08组成调节电源单相整流桥；电容C2并联在调节电源单相整流桥的直流电压输出端，起滤波作用；三端稳压器U6输入端VIN连接至调节电源单相整流桥的整流正极性端；第二直流工作电源VDD2从三端稳压器U6输出端VOUT输出。调节电源单相整流桥的整流负极性端为参考地。三端稳压器U6选择H7133。

调节电源模块还可以采用其他实现方案。二极管D05、二极管D06、二极管D07、二极管D08组成的调节电源单相整流桥可以用单相整流桥堆代替，三端稳压器U6可以采用稳压管稳压电路或者DC/DC稳压器。

用稳压管稳压电路或者DC/DC稳压器。

波形取样模块为具有以下功能的电路：设有取样波形输入端和取样脉冲输出端；取样波形输入端连接至第二可控整流输入端子；波形取样模块将第二可控整流输入端子电位高于第一可控整流输入端子电位的波形检出并限幅得到取样脉冲；取样脉冲的正脉冲与第二可控整流输入端子电位高于第一可控整流输入端子电位的波形相对应。

图10实施例中，波形取样模块为检波整形电路，由二极管D2、电阻R12、稳压管DW2组成。电阻R12的两端分别连接至二极管D2阴极与稳压管DW2阴极；二极管D2阳极为取样波形输入端，连接至第二可控整流输入端子AC2；稳压管DW2阳极连接至参考地；稳压管DW2阴极为取样脉冲输出端。

单片机调节模块具有捕捉输入端和调速脉冲输出端CP、方向控制输出端DIR，捕捉输入端连接至波形取样模块的取样脉冲输出端。方向控制输出端DIR的输出类型是开关量；调速脉冲输出端CP的输出类型是脉冲信号，脉冲信号的频率与步进电机的速度成比例关系。

图10实施例中，单片机调节模块由单片机MCU2、晶体振荡器XT2组成，单片机MCU2的型号是MSP430G2553，单片机MCU2的捕捉输入端为P2.0，调速脉冲输出端CP为P1.2；方向控制输出端DIR为P1.4，P1.4输出电平控制信号。

步进电机驱动模块用于驱动步进电机，设有调速脉冲输入端的步进电机驱动器、步进电机驱动芯片都可以适用于速度调节单元。图11所示为采用步进电机驱动器的实施例电路。

图11所示实施例中，步进电机驱动模块由步进电机驱动器U31以及二极管D31－D34、电容C31组成，步进电机驱动器U31是以两相混合式步进电机驱动芯片TB6600为核心的通用驱动器。

图11实施例中，二极管D31－D34组成单相桥式整流电路对第一可控整流输入端子AC1、第二可控整流输入端子AC2输入的可控整流电压进行整流，再经电容C61滤波后得到电机驱动电源V+，向步进电机驱动器U31供电。单相桥式整流电路的负极性端连接至参考地。

图11实施例中，步进电机M31的二相相线端子A+、A－、B+、B－连接至步进电机驱动器U31的相应驱动输出端A+、A－、B+、B－；单片机调节模块的方向控制输出端DIR、调速脉冲输出端CP分别连接至步进电机驱动器U31的方向控制输入负端DIR－、调速脉冲输入负端PUL－；步进电机驱动器U31的方向控制输入正端DIR+、调速脉冲输入正端PUL+连接至第二直流工作电源VDD2。

图11实施例中，步进电机驱动器U31的电源正端VCC连接至电机驱动电源V+，电源负端GND连接至参考地。

速度调节单元接收速度控制信号并调节步进电机的速度，其方法如图12所示，包括：

步骤一，电机控制初始化；

步骤二，判断是否有速度控制信号；没有速度控制信号，返回步骤二；有速度控制信号，转到步骤三；

步骤三，接收速度控制信号；

步骤四，调节步进电机速度；返回步骤二。

调节步进电机速度的方法是，单片机调节模块接收到的速度控制信号中，方向没有改变时，根据速度码对应的速度等级控制步进电机的速度；单片机调节模块接收到的速度控制信号中，方向发生改变时，先控制步进电机减速停转，再根据速度码对应的速度等级控制步进电机的速度。

调节步进电机的速度时，当单片机调节模块接收到的速度控制信号对应的速度等级为等级1时，控制步进电机停转。

判断是否有速度控制信号，方法为判断从第一可控整流输入端子AC1、第二可控整流输入端子AC2输入的可控整流电压是否有方向引导波。

接收速度控制信号，方法是接收x个工频周期的可控整流电压波，将x个工频周期的可控整流电压波转换为x位速度码。

波形取样模块的功能是对可控整流电压进行检波整形。图10实施例中，波形取样模块将第一可控整流输入端子AC1电位低于第二可控整流输入端子AC2的波形检出并限幅得到取样脉冲，输出至单片机调节模块的捕捉输入端；取样脉冲的正脉冲与第一可控整流输入端子电位低于第二可控整流输入端子电位的半波相对应，取样脉冲正脉冲宽度小于该半波宽度。控制步进电机正转、速度等级为速度23的取样脉冲示例如图6(b)所示，控制步进电机反转、速度等级为速度29的取样脉冲示例如图7(b)所示。当可控整流电压为交流电压时，取样脉冲为占空比小于50％、与第二交流电源同频率的矩形波；当可控整流电压为整流电压时，取样脉冲为低电平。

图6所示实施例中，方向引导波由2个工频周期的整流波和1个工频周期的交流波组成，方向引导波之前的取样脉冲是周期为工频周期的矩形波。2个工频周期的整流波应该使取样脉冲中出现宽度为40ms、即2个工频周期区间的低电平，但实际上方向引导波使取样脉冲中出现宽度为接近50ms、即2.5个工频周期区间的低电平，如图6所示的低电平区间T3；多出的0.5个工频周期区间的低电平是由紧接之后的1个工频周期交流波的正半波产生的；方向引导波1个工频周期的交流波的负半波使取样脉冲中出现宽度为0.5个工频周期区间的高电平，如图6所示的高电平区间T4。

图7所示实施例中，方向引导波由1个工频周期的整流波和2个工频周期的交流波组成，方向引导波之前的取样脉冲是周期为工频周期的矩形波。1个工频周期的整流波应该使取样脉冲中出现宽度为20ms、即1个工频周期区间的低电平，但实际上方向引导波使取样脉冲中出现宽度为接近20ms、即1.5个工频周期区间的低电平，如图7所示的低电平区间T13；多出的0.5个工频周期区间的低电平是由紧接之后的1个工频周期交流波的正半波产生的；方向引导波2个工频周期的交流波的负半波使取样脉冲中出现宽度为1.5个工频周期区间，高电平、低电平、高电平相间的脉冲，如图7所示的区间T14。

判断可控整流电压是否有方向引导波，方法是，判断取样脉冲中工频周期矩形波之后超过工频周期宽度的低电平区间工频周期数；若工频周期矩形波之后的取样脉冲中有工频周期数为2的低电平区间，则可控整流电压中有控制步进电机正转的方向引导波；若工频周期矩形波之后的取样脉冲中有工频周期数为1的低电平区间，则可控整流电压中有控制步进电机反转的方向引导波；若取样脉冲中没有工频周期数为1或者2的低电平区间，则可控整流电压中没有方向引导波。

判断取样脉冲中工频周期矩形波之后超过工频周期宽度的低电平区间工频周期数的方法是，对取样脉冲中工频周期矩形波之后超过工频周期宽度的低电平脉冲测量宽度，设测量得到的超过工频周期宽度的低电平脉冲宽度为W，则该低电平区间的工频周期数为INT(W/20)；INT函数的功能是舍去小数部分取整。

速度数据波的x个工频周期的可控整流电压波中，1个工频周期对应1位速度码，每个工频周期的电压波可以是交流波，也可以是整流波。当1个工频周期的电压波是整流波时，与其对应的取样脉冲为1个工频周期区间的低电平；当1个工频周期的电压波是交流波时，与其对应的取样脉冲为1个占空比小于50％的矩形波。图6所示实施例中，速度数据波为连续6个工频周期的可控整流电压波，依次为交流波、整流波、交流波、整流波、整流波、交流波，对应的取样脉冲区间T5、区间T6、区间T7、区间T8、区间T9、区间T10依次为矩形波、低电平、矩形波、低电平、低电平、矩形波，6位速度码为010110，速度等级为速度23。图7所示实施例中，速度数据波的连续6个工频周期依次为交流波、整流波、整流波、整流波、交流波、交流波，对应的取样脉冲区间T15、区间T16、区间T17、区间T18、区间T19、区间T20依次为矩形波、低电平、低电平、低电平、矩形波、矩形波，6位速度码为011100，速度等级为速度29。

将x个工频周期的可控整流电压波转换为x位速度码的方法是，在方向引导波之后的x个工频周期区间中，当1个工频周期区间的取样脉冲为低电平时，相应的该位速度码为1，当1个工频周期区间的取样脉冲为1个占空比小于50％的矩形波时，相应的该位速度码为0。或者是，在方向引导波之后的x个工频周期区间中，当1个工频周期区间的取样脉冲为低电平时，相应的该位速度码为0，当1个工频周期区间的取样脉冲为1个占空比小于50％的矩形波时，相应的该位速度码为1。

速度码转换为速度等级可以使用计算、查表等方法。实施例中，6位速度码的范围是000000－111111，代表的速度等级范围是速度1－64；速度码为000000时，速度等级为速度1；速度码为000001时，速度等级为速度2；速度码为000010时，速度等级为速度3；以此类推，速度码为111111时，速度等级为速度64。

步进电机不需要控制方向时，速度给定模块无需方向给定信号输出端，单片机控制模块无需方向给定信号输入端，单片机调节模块无需方向控制输出端，步进电机驱动模块的方向控制输入端固定接入高电平或者低电平。此时，单片机调节模块将接收到的由1个工频周期整流波和2个工频周期交流波组成的方向引导波按照接收到由2个工频周期整流波和1个工频周期交流波组成的方向引导波处理。

可控整流电压向速度调节单元的调节电源模块、步进电机驱动模块和波形取样模块直接供电，其中的调节电源模块、步进电机驱动模块首先对可控整流电压进行整流，再经电容滤波后，向相关电路提供电源；可控整流电压为零时，调节电源模块、步进电机驱动模块的电源电流也为零；波形取样模块为非线性电阻性负载，可控整流电压为零时，波形取样模块的电源电流为零。因此，可控整流电压为零时，其向速度调节单元提供的电源电流为零。所以，整流控制单元在第二交流电源的过零点进行停止交流输出、开始整流输出，或者是停止整流输出、开始交流输出的切换时，双向晶闸管V1、双向晶闸管V2与双向晶闸管V3、双向晶闸管V4之间可以成功换流，不致造成电源短路。

本发明具有如下特点：

①采用单相电源线远距离发送控制步进电机的调速信号，无需遥控器，无需控制线；

②步进电机速度可以根据需要分成多个等级；

③采用整流波传送速度控制信号，其有效值与交流波相同，不会造成步进电机速度调节时供电电源的不稳定。

Claims (10)

1.一种单相电源线发送步进电机调速信号的方法，由整流控制单元实现，其特征在于：

所述整流控制单元设有相线输入端子、零线输入端子、第一可控整流输出端子、第二可控整流输出端子；所述相线输入端子、零线输入端子输入单相220V交流电源；所述第一可控整流输出端子、第二可控整流输出端子输出可控整流电压；所述整流控制单元由变压器、控制电源模块、可控整流模块、过零检测模块、单片机控制模块、触发控制模块、速度给定模块组成。

2.根据权利要求1所述的单相电源线发送步进电机调速信号的方法，其特征在于：

所述变压器的两个输入端子分别为相线输入端子、零线输入端子，两个输出端子分别为第一交流端子、第二交流端子；所述第一交流端子、第二交流端子输出第二交流电源。

3.根据权利要求1所述的单相电源线发送步进电机调速信号的方法，其特征在于：

所述控制电源模块由控制电源单相整流桥和第一滤波稳压电路组成，输出第一直流工作电源；所述控制电源单相整流桥的两个交流输入端分别连接至第一交流端子、第二交流端子；所述控制电源单相整流桥的整流负极性端为公共地。

4.根据权利要求1所述的单相电源线发送步进电机调速信号的方法，其特征在于：

所述可控整流模块由整流桥UR1、双向晶闸管V1、双向晶闸管V2、双向晶闸管V3、双向晶闸管V4组成；所述整流桥UR1的2个交流输入端分别连接至第一交流端子和第二交流端子，整流输出正端连接至双向晶闸管V3的第二阳极，整流输出负端连接至双向晶闸管V4的第二阳极；双向晶闸管V1的第一阳极与双向晶闸管V3的第一阳极并联后连接至第一可控整流输出端子；双向晶闸管V1的第二阳极连接至第一交流端子；双向晶闸管V2的第一阳极与双向晶闸管V4的第一阳极并联后连接至第二可控整流输出端子；双向晶闸管V2的第二阳极连接至第二交流端子。

5.根据权利要求1所述的单相电源线发送步进电机调速信号的方法，其特征在于：

所述触发控制模块设有交流控制输入端、整流控制输入端；所述交流控制输入端输入的交流控制信号有效时，触发控制模块控制双向晶闸管V1和双向晶闸管V2过零时触发导通；所述交流控制输入端输入的交流控制信号无效时，触发控制模块控制双向晶闸管V1和双向晶闸管V2过零后截止；所述整流控制输入端输入的整流控制信号有效时，触发控制模块控制双向晶闸管V3和双向晶闸管V4过零时触发导通；所述整流控制输入端输入的整流控制信号无效时，触发控制模块控制双向晶闸管V3和双向晶闸管V4过零后截止。

6.根据权利要求1所述的单相电源线发送步进电机调速信号的方法，其特征在于：

所述过零检测模块设有过零电压输入端、过零脉冲输出端；所述过零电压输入端连接至第一交流端子；所述过零脉冲输出端输出的过零脉冲是正脉冲；所述过零脉冲与第二交流电源正半波对应；所述过零脉冲的宽度小于第二交流电源正半波宽度；所述第二交流电源正半波为第一交流端子电位高于第二交流端子电位的第二交流电源半波。

7.根据权利要求1所述的单相电源线发送步进电机调速信号的方法，其特征在于：

所述速度给定模块设有速度给定信号输出端和方向给定信号输出端；所述单片机控制模块包括有速度给定信号输入端、方向给定信号输入端、捕捉信号输入端和两路电平信号输出端；所述速度给定信号输入端连接至速度给定模块的速度给定信号输出端；所述方向给定信号输入端连接至速度给定模块的方向给定信号输出端；所述捕捉信号输入端连接至过零检测模块的过零脉冲输出端；所述两路电平信号输出端分别为交流控制输出端、整流控制输出端；所述交流控制输出端、整流控制输出端分别连接至触发控制模块的交流控制输入端、整流控制输入端。

8.根据权利要求1-7中任何一项所述的单相电源线发送步进电机调速信号的方法，其特征在于：所述整流控制单元通过控制可控整流电压来发送速度控制信号。

9.根据权利要求8所述的单相电源线发送步进电机调速信号的方法，其特征在于：所述整流控制单元通过控制可控整流电压来发送速度控制信号，速度控制信号由方向引导波和速度数据波组成；

所述方向引导波有两种；控制步进电机正转时，方向引导波由2个工频周期整流波和1个工频周期的交流波组成，整流波在前，交流波在后；控制步进电机反转时，方向引导波由1个工频周期整流波和2个工频周期的交流波组成，整流波在前，交流波在后；

所述速度数据波为x个工频周期的可控整流电压波，x为大于等于2的整数；

所述速度控制信号共有速度1至速度n，共n个速度等级；所述速度给定信号的速度等级有速度1－n；n为大于等于2的整数；

所述速度数据波为x个工频周期的可控整流电压波，x为大于等于2的整数；

所述x个工频周期的可控整流电压波中，1个工频周期对应1位速度码；x个工频周期的可控整流电压波对应x位速度码；所述速度码为二进制码；

所述n与x之间的关系为：n小于等于2^x；

所述单片机控制模块发出一次速度控制信号的方法是，

步骤1，等待，直到接收到过零脉冲的上升沿时进入步骤2；

步骤2，停止交流输出，开始整流输出；等待，直到接收到过零脉冲的上升沿时进入步骤3；

步骤3，发出1个工频周期的方向波；等待，直到接收到过零脉冲的上升沿时进入步骤4；

步骤4，停止整流输出，开始交流输出；等待，直到接收到过零脉冲的上升沿时进入步骤5；

步骤5，发出1个工频周期的可控整流电压波；等待，直到接收到过零脉冲的上升沿时进入步骤6；

步骤6，已经发出x个工频周期的可控整流电压波时转到步骤7，否则返回步骤5；

步骤7，停止整流输出，开始交流输出；

所述整流控制单元发送速度控制信号的方法是，

步骤A，读取给定信号；

步骤B，发出一次速度控制信号；

步骤C，判断速度是否发生改变，速度发生改变，返回步骤B；速度没有发生改变，返回步骤C。

10.根据权利要求9所述的单相电源线发送步进电机调速信号的方法，其特征在于：所述停止交流输出，是指控制交流控制输出端输出无效信号；所述开始整流输出，是指控制整流控制输出端输出有效信号；所述开始交流输出，是指控制交流控制输出端输出有效信号；所述停止整流输出，是指控制整流控制输出端输出无效信号；

所述判断速度是否发生改变的方法是，速度给定信号的速度等级发生改变，或者方向给定信号发生改变，则速度发生改变。