CN109150037B - 一种微型两相步进电机驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型两相步进电机驱动装置。该装置包括控制单元、电源供给单元、数据存储单元、两相步进电机驱动单元和通信单元，其中电源供给单元分别与控制单元、数据存储单元、通信单元和两相步进电机驱动单元的电源接口连接，控制单元与通信单元和数据存储单元连接，并且通过SPI接口以及步进和方向接口与两相步进电机驱动单元连接，两相步进电机驱动单元的输出端与两相步进电机的输入端连接。本发明具有低功耗、高能效、高精度、高细分、堵转监测的特点，能够灵活快速地控制两相步进电机，并采用USART串口与上位机通信从而实现对两相步进电机的实时控制。
Description
技术领域
本发明涉及电路设计技术领域，特别是一种微型两相步进电机驱动装置。
背景技术
步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的机械角度；步进电动机的位移量与输入脉冲数成正比，其转速与脉冲频率和步距角有关，控制输入脉冲数量、频率及电机各相绕组的接通顺序，可以得到各种所需要的运行特性，尤其与数字系统配套使用时，体现出更大的优越性。与采用其它伺服装置组成的闭环系统比较，步进电机开环控制系统可以省去反馈传感器、放大器、积分器和模数转换器，使结构简单、稳定、可靠、控制方便、成本低廉，而且具有快速启停、精确步进、误差没有长期积累以及能够直接接收数字信号的特点，在数字控制系统中得到了广泛的应用。例如在计算机外围设备、现代化办公室设备、自动机械、仪器设备、数控机床、工业机器人领域中获得大量应用。
步进电动机必须和驱动控制器配合使用，而不能直接接到交直流电源上工作。近年来，随着电力电子技术，微电子技术和微处理器技术的飞速发展，特别是三者在应用中的结合，使步进电动机的驱动系统不断发展和完善，各项性能指标不断提高。而现有的两相步进电机驱动系统目前还存在体积较大、能耗较大、成本较高、精度较低等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种性价比高、能耗低、体积质量小、控制精度较高的微型两相步进电机驱动装置，以实现与上位机通信，实时控制与显示两相步进电机的速度信息和方向信息。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种微型两相步进电机驱动装置，包括控制单元、电源供给单元、数据存储单元、两相步进电机驱动单元和通信单元；所述控制单元与通信单元和数据存储单元连接，并且通过SPI接口以及步进和方向接口与两相步进电机驱动单元连接；所述两相步进电机驱动单元的输出端与两相步进电机的输入端连接；所述电源供给单元分别与控制单元、数据存储单元、通信单元和两相步进电机驱动单元的电源接口连接；
所述控制单元，接收通信单元的控制指令，通过SPI通信方式对驱动芯片进行写寄存器操作，选择对两相步进电机的控制方式，然后通过SPI接口或步进和方向接口控制两相步进电机的速度与方向，并将控制结果存储到数据存储单元；
所述电源供给单元，通过稳压电路为控制单元、数据存储单元、通信单元和两相步进电机驱动单元供电；
所述数据存储单元，通过外部Flash将两相步进电机当前的速度信息和方向信息实时存储；
所述通信单元，通过主控芯片U1的USART串口与MAX3485芯片，将上位机的控制指令传递给控制单元，并且实时的在上位机中显示当前两相步进电机的速度信息和方向信息；
所述两相步进驱动单元，通过驱动芯片U2对两相步进电机进行SPI控制或步进和方向控制。
进一步地，所述控制单元，采用主控芯片U1为STM32F103C8T6单片机的最小系统电路，其中包括晶振电路、复位电路、指示灯电路、闪存启动电路、预留资源接口以及下载调试电路；所述STM32F103C8T6主控芯片是基于ARM Cortex-M3内核32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，配置3个USART串口、2个SPI接口、1个高级定时器、3个普通定时器以及32个I/O资源接口，芯片封装为LQFP48。
进一步地，所述数据存储单元，采用封装为SOP8的24LC128带电可擦可编程只读存储芯片。
进一步地，所述通信单元为RS485通信单元，采用封装为SOP8的MAX3485低功耗收发芯片，通过主控芯片的USART串口，将上位机的控制指令传递给控制单元，并且能够实时的在上位机中显示当前的两相步进电机的速度信息和方向信息。
进一步地，所述两相步进电机驱动单元，驱动芯片U2采用封装为QFP44的TMC2660驱动芯片；所述控制单元通过SPI通信方式对所述TMC2660驱动芯片寄存器进行写操作，对两相步进电机进行SPI控制或步进和方向控制。
进一步地，所述驱动芯片U2的2、3、7、8脚与两相步进电机接口A+连接；所述驱动芯片U2的5、6、10、11脚与两相步进电机接口A-连接；所述驱动芯片U2的26、27、31、32脚与两相步进电机接口B+连接；所述驱动芯片U2的23、24、28、29脚与两相步进电机接口B-连接；所述驱动芯片U2的4脚与电源VIN连接并通过电容C2接地；所述驱动芯片U2的9脚通过电阻R1接地；所述驱动芯片U2的12脚与9脚通过电阻R2连接，且通过电容C6接地；所述驱动芯片U2的13脚通过电容C11接地；所述驱动芯片U2的14、15、16、18、19、41、42脚与所述主控芯片U1的27、28、26、25、46、43、45脚连接；所述驱动芯片U2的22脚通过电容C14接地；所述驱动芯片U2的25脚与22脚通过电阻R6连接，且通过电阻R5接地；所述驱动芯片U2的30脚与电源VIN连接并通过电容C4接地；所述驱动芯片U2的35脚通过电容C5与电源VIN连接；所述驱动芯片U2的36脚与电源VIN连接并通过电容C12接地；所述驱动芯片U2的38脚通过电阻R8与发光二极管D1阳极连接，所述发光二极管D1的阴极接地；所述驱动芯片U2的40脚与电源3V3连接并通过电容C13接地；所述驱动芯片U2的17、21、39、43、44接地。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)针对两相步进电机进行芯片选型和一体化设计，能够安装在步进电机底部，体积小、易安装且调试方便可靠；(2)采用驱动控制组合设计，焊接和接线方便，装配简易可靠，抗电磁干扰；(3)驱动能耗较低，负载能力较高，响应快速，能实现对两相步进电机较为精准的控制，具有成本低、性价比高、经济效益好的优点。
附图说明
图1是本发明微型两相步进电机驱动装置的硬件整体设计示意图。
图2是本发明的控制单元电路设计示意图。
图3是本发明的驱动单元电路设计示意图。
图4是本发明的电路板设计示意图。
图5是本发明的程序流程示意图。
附图标记为：1为STM32F103C8T6主控芯片，2为预留资源接口电路，3为LED指示电路，4为闪存启动电路，5为SWD下载调试电路，6为晶振电路，7为复位电路，8为φ3定位孔，9为通信与电源接口，10为两相步进电机接口，11为预留资源接口，12为SWD下载调试接口。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，为本发明微型两相步进电机驱动装置的硬件整体设计示意图，所述微型两相步进电机驱动装置包括控制单元、电源供给单元、数据存储单元、两相步进电机驱动单元和通信单元；
所述控制单元与通信单元和数据存储单元连接，并且通过SPI接口以及步进和方向接口与两相步进电机驱动单元连接；所述两相步进电机驱动单元的输出端与两相步进电机的输入端连接；所述电源供给单元分别与控制单元、数据存储单元、通信单元和两相步进电机驱动单元的电源接口连接。
所述控制单元，接收通信单元的控制指令，通过SPI通信方式对驱动芯片进行写寄存器操作，选择对两相步进电机的控制方式，然后通过SPI接口或步进和方向接口控制两相步进电机的速度与方向，并将控制结果存储到数据存储单元；
所述电源供给单元，通过稳压电路为控制单元、数据存储单元、通信单元和两相步进电机驱动单元供电；
所述数据存储单元，通过外部Flash将两相步进电机当前的速度信息和方向信息实时存储；
所述通信单元，通过主控芯片U1的USART串口与MAX3485芯片，将上位机的控制指令传递给控制单元，并且实时的在上位机中显示当前两相步进电机的速度信息和方向信息；
所述两相步进驱动单元，通过驱动芯片U2对两相步进电机进行SPI控制或步进和方向控制。
作为一种具体示例，所述控制单元，采用主控芯片U1为STM32F103C8T6单片机的最小系统电路，所述STM32F103C8T6主控芯片是基于ARM Cortex-M3内核32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，配置3个USART串口、2个SPI接口、1个高级定时器、3个普通定时器以及32个I/O资源接口，芯片封装为LQFP48。
作为一种具体示例，所述数据存储单元，采用封装为SOP8的24LC128带电可擦可编程只读存储芯片，能将两相步进电机当前的速度信息和方向信息实时存储，用于进行数据分析和调试。
作为一种具体示例，所述通信单元为RS485通信单元，采用封装为SOP8的MAX3485低功耗收发芯片，通过主控芯片的USART串口，将上位机的控制指令传递给控制单元，并且能够实时的在上位机中显示当前的两相步进电机的速度信息和方向信息。
作为一种具体示例，所述电源供给单元采用的分别是封装为SOP8的MC78L12A芯片稳压输出12V电源和封装为MSOP8的LT1762-3.3芯片稳压输出3.3V电源。
作为一种具体示例，所述据存储单元选用容量为128Kb，可擦写次数高达10W多次的24LC128芯片作为外部Flash存储。
作为一种具体示例，所述通信单元采用MAX3485芯片通过RS485通信接口与上位机进行通信。
作为一种具体示例，所述两相步进电机驱动单元，驱动芯片U2采用封装为QFP44的TMC2660驱动芯片，且所述TMC2660驱动芯片是一款带诊断和保护的节能型高精度两相步进电机驱动芯片，最高分辨率为256细分，具有stallGuard2以及coolStep技术可使节能达到75％。；所述控制单元通过SPI通信方式对所述TMC2660驱动芯片寄存器进行写操作，对两相步进电机进行SPI控制或步进和方向控制。
如图2所示，为本发明微型两相步进电机驱动装置的控制单元电路设计示意图，所述控制单元包括STM32F103C8T6主控芯片1、预留资源接口电路2、LED指示电路3、闪存启动电路4、SWD下载调试电路5、晶振电路6、复位电路7；所述预留资源接口电路2用于提供外部传感器接入接口，实现功能的扩展；所述LED指示电路3用于指示当前主控芯片的供电状态是否正常；所述闪存启动电路4用于启动STM32F103C8T6主控芯片1；所述SWD下载调试电路5用于提供Keil5程序软件的下载和仿真调试，能够在线实现功能和参数的调整；所述晶振电路6用于提供STM32控制芯片所需的72MHz工作频率；所述复位电路7用于对STM32F103C8T6主控芯片的复位。
如图3所示，为本发明微型两相步进电机驱动装置的驱动单元电路设计示意图，所述驱动芯片U2的2、3、7、8脚与两相步进电机接口A+连接；所述驱动芯片U2的5、6、10、11脚与两相步进电机接口A-连接；所述驱动芯片U2的26、27、31、32脚与两相步进电机接口B+连接；所述驱动芯片U2的23、24、28、29脚与两相步进电机接口B-连接；所述驱动芯片U2的4脚与电源VIN连接并通过电容C2接地；所述驱动芯片U2的9脚通过电阻R1接地；所述驱动芯片U2的12脚与9脚通过电阻R2连接，且通过电容C6接地；所述驱动芯片U2的13脚通过电容C11接地；所述驱动芯片U2的14、15、16、18、19、41、42脚与所述主控芯片U1的27、28、26、25、46、43、45脚连接；所述驱动芯片U2的22脚通过电容C14接地；所述驱动芯片U2的25脚与22脚通过电阻R6连接，且通过电阻R5接地；所述驱动芯片U2的30脚与电源VIN连接并通过电容C4接地；所述驱动芯片U2的35脚通过电容C5与电源VIN连接；所述驱动芯片U2的36脚与电源VIN连接并通过电容C12接地；所述驱动芯片U2的38脚通过电阻R8与发光二极管D1阳极连接，所述发光二极管D1的阴极接地；所述驱动芯片U2的40脚与电源3V3连接并通过电容C13接地；所述驱动芯片U2的17、21、39、43、44接地。
如图4所示，为本发明微型两相步进电机驱动装置的电路板设计示意图，所述电路板为边长为40mm的正方形，四角放置φ3定位孔8用于将电路板固定在两相步进电机底部，通信与电源接口9用于连接外部24V电源与上位机RS485通信接口，两相步进电机接口10用于连接两相步进电机，预留资源接口11用于连接外部传感器数据线，SWD下载调试接口12用于连接ST-LINK下载器；所述电路板元器件与接口的布局与电路板整体设计能够与两相步进电机组合装配成一个整体，且电路板体积小，易于安装。
如图5所示，为本发明微型两相步进电机驱动装置的程序流程示意图，所述数字伺服系统根据使用者意图选择对两相步进电机的控制方式，即SPI控制或者步进和方向控制，然后打开中断等待控制器接收上位机指令，按照指令要求输出一定频率的脉冲给执行机构两相步进电机，当两相步进电机转动满足外部传感器要求后，外部传感器发送数据给控制器，执行相应中断服务子程序。
综上，本发明采用STM32F103C8T6主控芯片和TMC2660驱动芯片设计的一种微型两相步进电机驱动装置，能够安装在两相步进电机底部，体积小、易安装且调试方便可靠；采用驱动控制组合设计，焊接和接线方便，装配简易可靠，抗电磁干扰；采用的驱动芯片能耗较低，负载能力较高，响应快速，能实现对两相步进电机较为精准的控制且能对两相步进电机进行堵转监测；本装置所有部件均经过反复测试和选型设计，有效的降低了成本，提高了产品的性价比，经济效益较好。
Claims (3)
1.一种微型两相步进电机驱动装置，其特征在于，包括控制单元、电源供给单元、数据存储单元、两相步进电机驱动单元和通信单元；所述控制单元与通信单元和数据存储单元连接，并且通过SPI接口以及步进和方向接口与两相步进电机驱动单元连接；所述两相步进电机驱动单元的输出端与两相步进电机的输入端连接；所述电源供给单元分别与控制单元、数据存储单元、通信单元和两相步进电机驱动单元的电源接口连接；
所述控制单元，接收通信单元的控制指令，通过SPI通信方式对驱动芯片进行写寄存器操作，选择对两相步进电机的控制方式，然后通过SPI接口或步进和方向接口控制两相步进电机的速度与方向，并将控制结果存储到数据存储单元；
所述电源供给单元，通过稳压电路为控制单元、数据存储单元、通信单元和两相步进电机驱动单元供电；
所述数据存储单元，通过外部Flash将两相步进电机当前的速度信息和方向信息实时存储；
所述通信单元，通过主控芯片U1的USART串口与MAX3485芯片，将上位机的控制指令传递给控制单元，并且实时的在上位机中显示当前两相步进电机的速度信息和方向信息；
所述两相步进电机驱动单元，通过驱动芯片U2对两相步进电机进行SPI控制或步进和方向控制；
所述控制单元，采用主控芯片U1为STM32F103C8T6单片机的最小系统电路，其中包括晶振电路、复位电路、指示灯电路、闪存启动电路、预留资源接口以及下载调试电路；所述STM32F103C8T6主控芯片是基于ARM Cortex-M3 内核32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，配置3个USART串口、2个SPI接口、1个高级定时器、3个普通定时器以及32个I/O资源接口，芯片封装为LQFP48；
所述两相步进电机驱动单元，驱动芯片U2采用封装为QFP44的TMC2660驱动芯片；所述控制单元通过SPI通信方式对所述TMC2660驱动芯片寄存器进行写操作，对两相步进电机进行SPI控制或步进和方向控制；
所述驱动芯片U2的2、3、7、8脚与两相步进电机接口A+连接；所述驱动芯片U2的5、6、10、11脚与两相步进电机接口A-连接；所述驱动芯片U2的26、27、31、32脚与两相步进电机接口B+连接；所述驱动芯片U2的23、24、28、29脚与两相步进电机接口B-连接；所述驱动芯片U2的4脚与电源VIN连接并通过电容C2接地；所述驱动芯片U2的9脚通过电阻R1接地；所述驱动芯片U2的12脚与9脚通过电阻R2连接，且通过电容C6接地；所述驱动芯片U2的13脚通过电容C11接地；所述驱动芯片U2的14、15、16、18、19、41、42脚与所述主控芯片U1的27、28、26、25、46、43、45脚一一对应连接；所述驱动芯片U2的22脚通过电容C14接地；所述驱动芯片U2的25脚与22脚通过电阻R6连接，且通过电阻R5接地；所述驱动芯片U2的30脚与电源VIN连接并通过电容C4接地；所述驱动芯片U2的35脚通过电容C5与电源VIN连接；所述驱动芯片U2的36脚与电源VIN连接并通过电容C12接地；所述驱动芯片U2的38脚通过电阻R8与发光二极管D1阳极连接，所述发光二极管D1的阴极接地；所述驱动芯片U2的40脚与电源3V3连接并通过电容C13接地；所述驱动芯片U2的17、21、39、43、44接地。
2.根据权利要求1所述的微型两相步进电机驱动装置，其特征在于，所述数据存储单元，采用封装为SOP8的24LC128带电可擦可编程只读存储芯片。
3.根据权利要求1所述的微型两相步进电机驱动装置，其特征在于，所述通信单元为RS485通信单元，采用封装为SOP8的MAX3485低功耗收发芯片，通过主控芯片的USART串口，将上位机的控制指令传递给控制单元，并且能够实时的在上位机中显示当前的两相步进电机的速度信息和方向信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Sheng Inventor after: Liu Liaoxue Inventor after: Zhang Lei Inventor after: Sun Qiang Inventor after: Xu Yaoxin Inventor before: Liu Liaoxue Inventor before: Li Sheng Inventor before: Zhang Lei Inventor before: Sun Qiang Inventor before: Xu Yaoxin |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |