CN108139731B - 步进机马达控制电路及用于控制步进机马达的方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种步进机控制电路，其包含经配置以提供用于步进机马达移动的多个轴的步进信号的数值控制振荡器。所述数值控制振荡器经配置以依由同步时钟信号提供的相同频率操作。

Description

步进机马达控制电路及用于控制步进机马达的方法

相关专利申请案

本申请案要求2015年12月7日提交的共同拥有的第62/264,188号美国临时专利申请案的优先权，所述申请案针对所有目的特此以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及控制系统，且特定地说涉及步进机马达控制。

背景技术

微控制器通常用于控制计算机数值控制(CNC)系统中的步进机马达。通常使用软件控制CNC系统。通过选择轴在一个维度中执行控制。通过加速、减速或仅操作步进机马达执行沿所述轴的移动。可通过选择运动的轴及加速运动、以恒定运动运行或减速运动而实施一维运动的控制。除重合步骤的计算外，二维运动需要在两个维度中的这些选择。

发明内容

本发明的实施例包含一种步进机控制电路。所述电路包含经配置以提供用于步进机马达移动的第一轴的步进信号的第一数值控制振荡器。所述电路包含经配置以提供用于步进机马达移动的第二轴的步进信号的第二数值控制振荡器。所述第一数值控制振荡器及所述第二数值控制振荡器经配置以依由同步时钟信号提供的相同频率操作。

实施例提供了一种用于控制马达步进机的方法，其包含通过第一数值控制振荡器提供用于步进机马达移动的第一轴的步进信号。所述方法包含通过第二数值控制振荡器提供用于步进机马达移动的第二轴的步进信号。执行所述第一数值控制振荡器及所述第二数值控制振荡器的控制。

附图说明

图1说明根据本发明的实施例用于通过驱动器控制步进机马达的系统的实例；

图2说明根据本发明的实施例的驱动器的实施例；

图3展示使用例如软件计算解决方案的二维移动的典型非线性；及

图4说明根据本发明的实施例用于步进机马达驱动器的操作的实例方法。

具体实施方式

图1说明根据本发明的实施例用于通过驱动器控制步进机马达的系统100的实例。系统100可实施CNC系统。例如，系统100可通过驱动器102控制马达104的移动。在图1的实例中，马达104及驱动器102说明为在X方向及Y方向上操作。然而，马达104及驱动器102可经配置以在任何合适数目个维度(例如三个维度)中执行控制。

在一个实施例中，马达104可实施为电动步进机马达。马达104可在任何合适维度(例如X方向、Y方向及Z方向)中加速、减速或以线性速度移动。马达104可对从驱动器102接收的控制输入作出响应。

驱动器102可通过模拟及数字电路的任何合适组合实施。在一个实施例中，驱动器102可通过数值控制振荡器(NCO)及计数器的组合实施。在另一实施例中，驱动器102可实施为微控制器(如八位微控制器)的部分。在又一实施例中，驱动器102可通信地耦合到在系统100中的别处的八位微控制器(未展示)的组件。在又另一实施例中，驱动器102可通信地耦合到执行在系统100中的别处的计算机可读媒体(未展示)中的指令的硬件处理器。驱动器102可通过电压源106及接地108供电。

在一些实施例中，驱动器102可从系统100中的别处接收指定马达104将移动到的位置的控制信号。控制信号可呈(例如)函数调用110的形式。驱动器102可经配置以将这些函数调用110转译、解译或以其它方式实施为实际控制信号或马达104的移动。可使用针对待执行的移动的每一维度的步进信号执行马达104的这种控制。例如，基于所接收的函数调用110及其解译，驱动器102可将一系列x步进信号114及y步进信号116发布到马达104。所述系列x步进信号114及y步进信号116可指定马达104在相关轴中的速度、加速度或减速度。在一些实施例中，驱动器102可从马达104接收指示马达104的操作状态的反馈信号112、118。

马达104在单个方向上的移动的执行可需要通过驱动器102的相对简单计算。马达104在多个方向上的移动的同时执行可需要通过驱动器102对重合步骤的进一步计算。例如，为了沿笔直二维线线性移动，驱动器102必须确定每一维度相对于另一维度的相对速度、加速度及减速度。X距离与Y距离之间的分数差异以及系统100的处理能力的粒度可引起马达104的输出性能的非线性。在图3中说明这些非线性，其中预期线性性能可实际上由马达104的梯阶输出实施。

返回到图1，此外，在系统100中的软件执行可能必须考虑并干预离轴步进，其中可能必须在执行期间计算及插入针对每一步进的延迟以成功地执行加速、减速及恒定速度移动。然而，此软件处理可为数学上密集且超出例如控制驱动器102及马达104的八位微控制器的范围。

根据多种实施例，驱动器102可使用一或多个数值控制振荡器(NCO)实施。在一个实施例中，驱动器102可包含针对控制的每一轴的NCO。每一NCO可通过合适模拟或数字电路的任何组合实施。例如，NCO可通过多路复用器、加法器、正反器或锁存器、涟波计数器及数字逻辑的组合实施。NCO可部分通过可购自Microchip,Inc.的微控制器中的NCO外围设备实施。NCO可利用直接数字合成(DDS)技术来产生波形。NCO可通过将固定值重复地加到累加器而操作。可使用进位操作执行累加。余数值可在溢位之后留在累加器中。溢位可充当原始NCO输出。因此，NCO可用作使用其中的累加器的溢位来划分输入频率且形成输出信号的定时器。

驱动器102中的NCO可用于产生到马达104中的步进机马达控制件的步进输出。通过使用NCO，可凭借使用NCO的可变频率控制能力消除通过驱动器102及马达104的CNC线性移动的实时轨迹计算。在一个实施例中，驱动器102可包含计数器，所述计数器经配置以计数已沿给定轴进行的移动。使用此移动完成计数器，驱动器102可在已完成足够步进后停用NCO。例如，NCO可用恒定加法值(例如1、5或100)设定。每一时钟循环，NCO的计数器可累加恒定值。当达到所述计数器的容量时，恒定值的加法可引起溢位。NCO可经配置以基于溢位而产生输出脉冲或马达104的步进运动。因此，可通过鉴于时钟速度及计数器大小设定对应NCO的恒定加法值而配置针对移动的轴的运动速率。可在整个编程移动中维持所述恒定值。因此，驱动器102可设定相应NCO的值及参数且允许其操作，而非恒定地或连续地计算每一轴的瞬时加速度、减速度、速度值并使其相互关联。在一个实施例中，驱动器102可针对每一单独NCO计算可编程前置除频器值。所述前置除频器值的相对值继而将引起以协调方式加速及减速。

在例如三维打印等应用中，系统可允许挤压机以按与沉积器头的实际移动成比例的速度移动。例如，当X及Y移动是以45度角进行时，沉积器头必须移动X及Y移动的1.414倍来挤压足够塑料以覆盖距离。

图2说明根据本发明的实施例的驱动器102的实施例。驱动器102可包含前置除频器NCO 220，其输出通信地耦合到x轴NCO 222及y轴NCO 226。在其中使用系统100控制更多轴的实施例中，前置除频器NCO 220的输出将针对控制的相应轴类似地路由到额外NCO。此外，每一NCO可与控制的每一相应轴的相应计数器相关联。例如，驱动器102可包含x计数器224及y计数器228。相应NCO与计数器的组合可产生x步进114输出及y步进116输出。

NCO 222、226可连结到共同时钟。因此，应用于NCO 222、226的前置除频器值的变化可以相对于另一NCO的相同速率而改变。共同时钟可在频率上增大或减小以加速或减速。然而，通过使用NCO 222、226之间的共同时钟，在加速及减速期间(或引申开来，在线性移动期间)在NCO 222、226之间不必进行进一步协调。相比之下，其它马达驱动器(例如基于软件的解决方案)可需要确定针对x步进114输出及y步进116输出中的每一者的相对时间延迟。

例如，假定驱动器102将引起马达104依30°角的移动。因此，在x方向及y方向上的移动的比为(0.5:0.866)。因此，前置除频器NCO 220可产生x方向NCO 222的标量加法值及y方向的不同标量加法值，此引起按(0.5:0.866)的比产生x步进114脉冲及y步进116脉冲。NCO 222将比NCO 226(及其相应计数器)更频繁地使计数器翻转以维持指定比。例如，在每一百个可能脉冲当中，x方向NCO 222将产生五十个脉冲且y方向NCO 226将产生八十六个脉冲。在相同时钟上一起操作，NCO 222、226将依三十度角移动。NCO 222、226将移动直到已如计数器224、228中定义般进行必要数目个步进。

在一个实施例中，必须将马达104加速到移动的指定速度。为了加速到所述指定速度(及随后在移动段末端处减速)，可增大或减小如施加到NCO 222、226的时钟频率。然而，即使在加速或减速马达104的此操作及后续移动时，仍无需针对30°角移动执行x步进114与y步进116之间的相应延迟的进一步计算。如施加到NCO 222、226的时钟频率可因此改变且视需要斜升或斜降以加速及减速到指定速度。

可通过凭借前置除频器NCO 220计算新恒定值及NCO 222、226的后续操作来执行不同角度的后续移动。可例如通过将NCO 220的输出写入到与NCO 222、226相关联的寄存器而执行前置除频器的值及恒定加法值的传递。

此外，NCO 222、226的同步移动可消除来自马达104的啸声的问题。马达104可依恒定速度最佳执行。然而，归因于在其它解决方案中出现的计算舍入误差，可在稍微不同时间产生x步进114的脉冲及y步进116的脉冲，从而引起马达在短时间内的急冲性。相比之下，脉冲在通过NCO产生时沿时钟周期利索地发布。因此，消除脉冲的变化，从而允许马达104的电枢无啸声地运行。

可通过前置除频器NCO 220执行移动的步进、标量常数、计数器值、相对比及频率的计算及确定。在一个实施例中，前置除频器NCO 220可存取存储于存储器中的查找表以确定标量常数的值。

图3展示使用(例如)软件计算解决方案的二维移动的典型非线性302。如在此2维移动中可见，两个x步进之后接着一个y步进，接着四个x步进、另一单个y步进、四个x步进、单个y步进及最后两个x步进。

在其它系统(例如基于软件的系统)中，具有较大数目个步进的维度可用作基础且导出其它维度中的步进。例如，在三十度实例中，将y步进的必要数目发送到马达104且根据比(0.5:0.866)计算x步进的相关联数目。然而，在许多微控制器中，不存在足以执行全部这些计算(以及延迟计算)的处理能力。

也可出现在图3中展示的非线性，其中用于产生x步进及y步进的相对移动的除数留下余数。在此情况中，一个方向上的移动可在另一方向上的移动停止前停止。为了对付此非线性，可将从除数产生的余数差的一半预先加载原本在终止移动之前停止的轴的NCO。通过预先加载余数的一半，在迹线末端处的平坦点可减少一半且在移动迹线开端处引起对应平坦点。

图4说明用于操作根据本发明的实施例的步进机马达驱动器的实例方法。

在405处，步进机驱动器可接收移动与步进机马达相关联的载物台或其它机构的函数调用或其它请求。可从所述函数调用确定将执行的移动。移动可具有将按顺序次序执行的若干分量。

在410处，在驱动器中的前置除频器NCO处，可执行x步进及y步进(及其它维度，如适用)的数目的计算。可通过(例如)使用移动的期望角度存取查找表进行此计算。可确定x步进及y步进的相对数目。此外，可确定加速度、减速度及速度要求。可针对与移动的不同轴相关联的每一相应NCO确定标量值。

在415处，在前置除频器NCO处，可基于移动的期望距离确定针对移动的计数。计数可存储于相应寄存器中。

在420处，可初始化相应轴NCO(例如，在x方向及y方向上)的操作频率。例如，频率可设定为零初始化。每一NCO的频率可连结在一起。可根据所需加速度通过共享时钟同时增大每一NCO的频率直到达到目标速度。此后，频率可保持恒定。

在425处，在马达移动期间，在每一轴NCO处，可将确定标量值加到NCO内的计数器。如果计数器溢位，那么相应NCO可产生相应轴的移动脉冲。

在430处，在移动接近完成时，可根据减速要求减小轴NCO的操作频率。

在435处，可确定是否需要后续移动来完成函数调用。如果需要，那么方法400可返回到例如410。否则，方法400可终止。

方法400可通过任何合适机构实施，例如通过系统100及图1到2中的一或多者的元件来实施。方法400可任选地在任何合适点处重复或终止。此外，虽然说明特定数目个步骤以实施方法400，但是方法400的步骤可任选地重复、并行或彼此递归地执行、省略或以其它方式视需要修改。方法400可在任何合适点处(例如在405)起始。

虽然已在上文描述实例实施例，但是可在不背离这些实施例的精神及范围的情况下从本发明进行其它变动及实施例。

Claims (16)

1.一种步进机马达控制电路，其包括：

第一数值控制振荡器，其经配置以提供用于步进机马达移动的第一轴的步进信号；

第二数值控制振荡器，其经配置以提供用于步进机马达移动的第二轴的步进信号；及

前置除频器振荡器，其经配置以将所述第一数值控制振荡器的操作偏移余数的一半，所述余数是待由所述第一数值控制振荡器执行的步进的第一计数除以待由所述第二数值控制振荡器执行的步进的第二计数而得到；

其中所述第一数值控制振荡器及所述第二数值控制振荡器经配置以依由同步时钟信号提供的相同频率操作。

2.根据权利要求1所述的步进机马达控制电路，其进一步包括经配置以接收用于步进机马达移动的所述第一轴的控制信号的第一计数器及经配置以接收用于步进机马达移动的所述第二轴的控制信号的第二计数器。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的步进机马达控制电路，其中所述前置除频器振荡器进一步经配置以设定所述第一数值控制振荡器及所述第二数值控制振荡器的所述相同频率。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的步进机马达控制电路，其中所述前置除频器振荡器进一步经配置以设定所述第一数值控制振荡器的第一恒定值，所述第一恒定值经配置以设定所述第一数值控制振荡器的脉冲产生的速率。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的步进机马达控制电路，其中所述前置除频器振荡器进一步经配置以设定所述第一数值控制振荡器的第一恒定值，所述第一数值控制振荡器经配置以将所述第一恒定值重复加到计数器以设定所述第一数值控制振荡器的脉冲产生的速率。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的步进机马达控制电路，其中所述前置除频器振荡器进一步经配置以设定所述第一数值控制振荡器的第一恒定值，所述第一数值控制振荡器经配置以将所述第一恒定值重复加到计数器且在所述计数器溢位之后产生马达脉冲以设定所述第一数值控制振荡器的脉冲产生的速率。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的步进机马达控制电路，其中所述前置除频器振荡器进一步经配置以通过同时增大所述第一数值控制振荡器及所述第二数值控制振荡器的操作频率而加速马达的移动。

8.根据权利要求1所述的步进机马达控制电路，其进一步包括经配置以提供用于步进机马达移动的第三轴的步进信号的第三数值控制振荡器，其中所述第一数值控制振荡器、所述第二数值控制振荡器及所述第三数值控制振荡器经配置以依相同频率操作。

9.一种用于控制步进机马达的方法，其包括：

通过第一数值控制振荡器提供用于步进机马达移动的第一轴的步进信号；

通过第二数值控制振荡器提供用于步进机马达移动的第二轴的步进信号；及

将所述第一数值控制振荡器的操作偏移余数的一半，所述余数是待由所述第一数值控制振荡器执行的步进的第一计数除以待由所述第二数值控制振荡器执行的步进的第二计数而得到；

其中通过同步时钟信号依相同频率执行所述第一数值控制振荡器及所述第二数值控制振荡器的控制。

10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括将用于步进机马达移动的所述第一轴的控制信号及用于步进机马达移动的所述第二轴的控制信号接收到相应计数器中。

11.根据权利要求9所述的方法，其进一步设定所述第一数值控制振荡器及所述第二数值控制振荡器的所述相同频率。

12.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括设定所述第一数值控制振荡器的第一恒定值，所述第一恒定值经配置以设定所述第一数值控制振荡器的脉冲产生的速率。

13.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括设定所述第一数值控制振荡器的第一恒定值，所述第一数值控制振荡器经配置以将所述第一恒定值重复加到计数器以设定所述第一数值控制振荡器的脉冲产生的速率。

14.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括设定所述第一数值控制振荡器的第一恒定值，所述第一数值控制振荡器经配置以将所述第一恒定值重复加到计数器且在设定所述第一数值控制振荡器的脉冲产生的速率之后产生马达脉冲。

15.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括通过同时增大所述第一数值控制振荡器及所述第二数值控制振荡器的操作频率而加速马达的移动。

16.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括通过第三数值控制振荡器提供用于步进机马达移动的第三轴的步进信号，其中所述第一数值控制振荡器、所述第二数值控制振荡器及所述第三数值控制振荡器依相同频率操作。

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