CN1452312A - 全数字细分型高精度步进电机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种步进电机控制装置，特别是细分型、全数字步进电机控制器的控制方案和实现方法。该控制器是以高速单片微处理器为控制核心单元，配备步进电机控制接口电路、功率放大电路和与主计算机的异步串行通讯、同步串行通讯接口电路组成。控制器接收标准的TTL电平逻辑控制信号作为步进电机的控制信号，并与上层控制电路实现了全部的光电隔离。电机的输入脉冲控制信号最高频率可达1MHz，可以实现250分频，使电机的定位精度提高了250倍，减小了电机低速运行时的脉动，可在低速下(0.2rpm)稳定运行，运行中电机电流的变化量被严格控制，减小了系统在开、关时因电流突然变化对机械系统产生的冲击，特别适用于具有高精度、超低速运动控制要求的系统中。

Description

全数字细分型高精度步进电机控制器

技术领域

本发明涉及一种步进电机控制装置，特别是细分型、全数字步进电机控制器的控制方案和实现方法。

背景技术

因为步进电机的结构与直流电机、交流电机完全不同，使得步进电机的控制方式也完全不同于这两种电机。步进电机是以脉冲电压的形式对电机输入电流进行控制的，输入脉冲的数量与步进电机转子转过的角度严格成正比，输入脉冲的频率与步进电机的旋转速度成正比。正因为步进电机的上述特性，步进电机被广泛地应用在许多精密运动机构中，完成系统的精密位置控制功能。在负载没有超过电机额定负载的前提下，电机转子的转角与输入的脉冲数严格成比例，这个特性使得许多步进电机控制系统不用建立位置反馈环节，对电机实现开环控制，这就大大地减少了电机控制器的复杂程度，使得步进电机的应用范围进一步得到拓展。

但是由于制造工艺的原因，步进电机的步距角，即每个脉冲电机转子旋转的角度一般不会做得很小，目前一般步进电机的步距角为1.8°/P，用于小体积精密控制环境下的、体积微小的步进电机的步距角为15°/P，远远满足不了精密控制的精度要求。另外，步进电机在较高速运行时会产生共振，这种现象对精密控制系统产生极大的危害。解决上述问题的一条行之有效的途径就是对步进电机采取细分控制的方法，即将原来输入步进电机的一个脉冲细分为现在的若干个脉冲，使得步进电机转子在两个机械步距角之间的运动分多步完成，而不是原来的一步完成，即将步进电机定子的两相绕组的电流由原来的脉冲形式，改变为现在的正弦方式，细分数就是对正弦波形的数字表示的精度。理论上当细分数为无穷大时，电机转子在原来的两个机械步距角之间的运动可以达到完全的平滑。

美国专利(专利号：6,414,460，发明人：Li；Yanqing；Pham；Luu T.；Sasso；Mark E.)讲述了一个只有8步和16步细分的步进电机驱动器，其特点是步进电机控制器的结构相对比较简单，但是其控制功能有限，电流采用模拟器件提供，没有电流反馈控制，没有对电流变化的限制功能，没有通讯接口电路。该类型控制器可用于一些对精度、运动特性要求不是很高的环境中。

美国专利(专利号：5,914,579，发明人：Komm；William)讲述了一个具有细分功能的步进电机控制器，在其专利文件中没有提到该控制器能够达到的细分精度。该控制器的特点是：由微处理器给出电机定子绕组中的两相电流的给定值，这是一个数字形式的量，再用附加的数字——模拟转换电路对该数字量进行变化，得到模拟控制电压。对电流的控制是采用开环的方式，没有对电流的反馈调节功能，这种控制方式使得步进电机在高速和低速运行时输出的力矩不一致，没有对电流变化的限制功能，没有通讯接口电路。

美国专利(专利号：6,140,793，发明人：Carr；Raymond A.；Johns；Michael R.)讲述了一个具有细分功能的步进电机控制器，其特点是由核心微控制器以数字量的形式输出电机定子两相绕组电流的给定值，通过模拟——数字变换得到模拟量，经过功率放大后输出到步进电机的两相绕组中，专利文献中没有提到对电流的反馈调节功能。该控制器没有对电流变化的限制功能，没有通讯接口电路。

以上三个专利所具有的共同特点是：1)利用微处理器内部存储的数据表，通过查表方式给出步进电机电流给定值数据，通过数字——模拟变换得到模拟控制电压2)控制电压经过功率放大后直接为步进电机的定子两相绕组供电，对定子电流没有实现反馈控制，使电机在高速和低速运行时输出的力矩不一致，定子电流波动较大3)步进电机两相绕组电流的控制系统都是用模拟元件实现的，由于模拟元件的一致性比较差，元件特性受环境条件影响比较大，由模拟元件构成的两路调节器、功率放大器要做到控制特性完全一样是一件非常困难的事情，电路结构复杂，调试工作也很困难4)没有与上层控制单元或计算机进行通讯的接口部分，不能实现智能化要求比较高的控制过程，不能直接与上层控制计算机实现数据交换5)没有位置检测单元，不能单独完成高精度的位置控制功能6)在控制器通电和断电的瞬间没有对定子电流升降变化率采取限制措施，致使电机在这两个瞬间产生很强的抖动现象，会损坏精密运动部件。

发明内容

本发明是为了克服上述现有技术的不足，满足一些特殊应用环境和要求，提出一种新的装置，即全数字细分型高精度步进电机控制器，它实现了对步进电机定子绕组的全数字反馈恒流控制功能，具有结构紧凑，体积小，使用灵活，控制精度高，适应性强的特点。

本发明的技术方案是：1)以具有高速运算能力的微处理器为中心控制单元，设计出与上层控制单元能够进行数据交换、结构简单的串行通讯接口(异步和同步)，设计出适合步进电机控制的通用信号输入输出单元，所有与上层单元连接的信号都经过光电隔离处理2)步进电机定子电流的给定量由微处理器查表给出，定子电流的实际值通过反馈单元测得，经模拟——数字变换为数字量并输入到中央处理器中，由中央处理器的程序构成步进电机定子两相电流的数字式电流控制器，控制的目的是使电流实际值与电流给定值相等3)控制器输出的两相电流控制量以数字的形式出现，利用该控制量直接控制两个结构相同的脉宽调制器(PWM)，PWM的输出信号(0或1)直接控制两个H型桥式功率放大电路，从而实现了电流的全数字控制4)设计了位置计数脉冲输入单元，形成了位置反馈控制环节5)在控制器通电后和断电前的瞬间对定子电流的升降变化按照预定的曲线进行控制，严格控制电流变化率。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：实现了对步进电机定子绕组电流的数字化控制，并对两相电流信号实现反馈控制，大大提高了步进电机的运行特性，特别是低速和超低速运行时的特性；结构简单，调试工作很少；与上层控制单元的配合具有很强的适应性，并能独立承担高精度的位置控制工作，使产品整机体积小且实用性强；所有输入输出信号都经过了光电隔离作用，提高了控制器的抗干扰能力和运行的可靠性。

附图说明

图1为本发明的控制原理框图

图2为本发明的控制器的结构框图

图3为桥式功率放大电路图

图4为PWM控制器输出的波形图

图5为250细分情况下的电流给定值波形图

图6为定子电流的反馈值波形图

图7为经过滤波后的电流反馈值波形图

图8为电流上升和下降时的波形图

图9-1、9-2、9-3为本发明控制器的实际电路图

图10为本发明控制器的控制步骤框图

具体实施方式

下面结合各图对本发明进行具体说明：

如图2所示，步进电机控制器的中央处理单元是一个具有高速运算能力的微处理器(17)，在实际控制器中采用美国TI公司生产的TMS320MC2407，针对该芯片所具有的功能单元，为步进电机控制器设计了同步串行通讯接口电路(8)，异步串行通讯接口电路(9)。同步串行通讯电路为3线同步通讯模式，三条通讯线路分别为时钟线(Clock)，数据输入线(Data_In)，数据输出线(Data_Out)。异步串行通讯电路为2线异步通讯模式，两条通讯线路分别为数据接受线(RXD)，数据发送线(TXD)。为了减少控制系统上、下层之间的干扰，在设计这两种标准通讯接口时附加了光电隔离单元(10)(11)。通过这两个数据通讯接口，步进电机控制器能够以命令的形式直接接收上层控制计算机发来的各种数据或命令，并按照命令规定的要求控制步进电机以要求的速度曲线运动规定的角度。

步进电机控制信号输入单元(12)经过光电隔离单元(14)后将上层控制单元发送的控制信号输入到中央控制单元(17)中。输入信号主要有指示电机运动的脉冲信号(Step)，决定电机运动方向的方向信号(CW/CCW)，控制运动状态的使能信号(En/Dis)，以及对下层控制器进行复位操作的复位信号(Run/Rst)等。中央处理单元(17)可根据应用环境的精度要求，预先设置步进电机的细分精度和电机电流的幅值。电流幅值曲线以数据表的形式预先存储在中央处理单元中，当中央处理单元(17)接收到运动信号脉冲(Step)和方向信号(CW/CCW)时，中央处理单元按照脉冲信号(Step)的快慢，从数据表中查出步进电机(5)定子两相绕组的电流给定值，图5为250细分情况下的电流给定值波形图(已经经过数字——模拟变换)，步进电机(5)定子绕组中的两相电流经过电流检测单元(20)检测后得到两相电流的反馈值，该反馈值含有很多的高频干扰信号(如图6所示)。该反馈值经过滤波放大电路(7)后，得到一个没有干扰信号的、完整的电流反馈量(如图7所示)。该反馈信号经过模拟——数字变换单元(6)后得到两相电流反馈值的数字量，并被输入到中央处理单元(17)中，中央处理单元(17)通过软件程序建立了两个调节功能、参数特性完全相同的数字式电流调节器(19)，其调节功能如图1所示：该调节器的输入量有两个：1)由电流给定单元(1)给出的电流给定值I_g2)如上述的，经过滤波放大和模拟——数字变换的电流反馈值I_f，电流控制器(2)对这两个量进行运算，得到数字形式的控制量Ui，利用该数字量控制脉宽调制器(3)，脉宽调制器(3)输出的脉冲波形如图4所示，当控制量Ui的数值比较大时，脉宽调制器(3)输出脉冲的占空比就比较大，当控制量Ui的数值比较小时，脉宽调制器(3)输出脉冲的占空比就比较小。用脉宽调制器(3)的输出信号直接控制两个结构完全相同的H桥式功率放大器(4)，H桥式功率放大器(4)的原理图如图(3)所示，电路是由CMOS半导体管组成的功率放大电路。每一个H桥式功率放大器(4)为步进电机的一个绕组供电，如图(3)所示，当脉宽调制器(3)输出为1时，H桥式功率放大器的Q1、Q4导通，步进电机(5)的A相绕组正向通电；当脉宽调制器(3)输出为0时，H桥式功率放大器的Q2、Q3导通，步进电机(5)的A相绕组反向通电。同样道理，当H桥式功率放大器的Q5、Q8导通时，步进电机(5)的B相绕组正向通电，当H桥式功率放大器的Q6、Q7导通时，步进电机(5)的B相绕组反向通电。这样，对步进电机(5)定子两相绕组的电流调节过程都是对数字量的计算，和对数字量的传输过程。其中电流控制器的计算过程是由中央处理单元(17)的软件程序完成的。由于微处理器内部的数字计算过程稳定可靠，不会受到环境的影响，不会受到计算单元的型号限制，同样数字电路的抗干扰能力强，受环境条件的影响大大优于模拟电路，用此方法实现的两个电流控制器的物理特性，调节参数非常一致，使得步进电机(5)定子两相绕组中流过的电流非常对称。电机在超低速下运行时非常稳定。同时该实施电路的调试工作非常少，运行也非常可靠。

为了完善步进电机控制器的功能，使该控制器能够独立地完成高精度的速度控制、位置控制任务，特设计了一个位值反馈环节，即位置计数脉冲反馈单元(21)，该单元可以接收常用的位置反馈元件的输出信号，如对于旋转位置的反馈单元——增量码盘，对于直线运动的位置反馈单元——光栅尺等，位置计数脉冲反馈单元(21)接收到上述元件的位置反馈信号后，对位置脉冲信号进行倍频操作，并从中分辨出运动的方向信号，再经过脉冲整形与滤波电路(22)后，将位置反馈信息输入到中央处理单元(17)中，实现步进电机伺服控制中的位置闭环。

状态检测电路(23)对步进电机(5)驱动的运动系统的多种状态进行检测(如运动机构的极限位置限位信号，运动的0位信号等)。状态检测电路(23)对这些信号进行延时、滤波和信号整形等操作后，输入到中央处理单元(17)中，为控制系统提供信息。同时将这些信号经过光电隔离单元(15)进行电隔离后，经过信号输出接口单元(13)输出到上层控制单元中。

考虑到当步进电机(5)的定子线圈内的电流由0突然上升到给定值，或由给定值突然降为0时，定子就会突然形成磁场，或磁场突然消失，并使转子从原来的位置转过一个角度，其大小视转子的初始位置不同而不同，最大可达到一个机械角。步进电机的这种抖动对精密机械部件产生非常大的损伤。为避免这种现象发生，在步进电机控制器通电和断电的瞬间，控制器并没有给被控制的步进电机(5)的定子线圈立即通电或断电。当控制器通电后，步进电机(5)的定子线圈内的电流是在规定的时间内，以给定的电流上升曲线和下降曲线，如图(7)所示，控制步进电机(5)的电流“软上升”或“软下降”，从而避免了步进电机(5)在控制器通电和断电的瞬间产生抖动现象。这一点对精密位置控制系统，对系统静态稳定性要求很高的应用环境中非常重要。

Claims (8)

1.一种全数字细分型高精度步进电机控制器，其特征在于它包括：

中央处理单元(17)，与光电隔离单元(10，11，14，15)、状态检测(23)连接，从光电隔离单元(10，11，14，15)得到对步进电机运动命令电信号，从状态检测(23)得到步进电机运动状态电信号，中央处理单元(17)对这些电信号进行运算和逻辑判断，计算结果为步进电机定子电流的控制电信号，将该电信号给PWM调节器(16)，完成对步进电机定子电流的数字化控制，对步进电机运动系统的状态检测，与上层控制单元(与本控制器连接的系统主控计算机)进行数据，或信号通讯；

同步串行通讯单元(8)，通过光电隔离单元(10)与中央处理单元(17)相连接，为控制器提供了一个标准的三线制同步串行通讯接口，中央处理单元可通过该单元与上层控制单元进行数据交换，接受命令；

异步串行通讯单元(9)，通过光电隔离单元(11)与中央处理单元(17)相连接，为控制器提供了一个标准的二线制异步串行通讯接口，中央处理单元可通过该单元与上层控制单元进行数据交换，接受命令；

步进电机控制输入(12)，通过光电隔离单元(14)与中央处理单元(17)连接，中央处理单元通过该单元接收标准形式的步进电机运动命令信号，依照这些信号的形式控制步进电机运动；

状态输出单元(13)，通过光电隔离单元(15)与中央处理单元(17)连接，该单元将中央处理单元中存储的运动系统的各种状态，控制器本身的运动状态提供到上层控制单元中；

光电隔离单元(10，11，14，15)，是利用光电原理传送信号，首先将光电隔离单元一侧的电信号转换为光信号，利用光传输信号，在光电隔离单元的另一侧，将接收到的光信号转换为电信号，使得光电隔离单元两端的电路之间没有电的连接，以便消除本控制器与上层控制单元之间的相互干扰；

数字控制器(19)，是由中央处理单元中的控制软件组成的，该单元是两个控制特性、控制参数完全相同的电流控制器，接受数字形式的电流给定量与反馈量，输出数字形式的电流控制量，完成对步进电机定子两相绕组电流的完全对称控制；

PWM调节器(16)，该单元接收数字控制器(19)输出的数字化电流控制量，并按照该控制量数值的大小，以预先设定好的频率，输出占空比与控制量数值成正比(或成反比)的脉冲形式的电压信号给功率放大器(18)；

功率放大器(18)，该单元受PWM调节器(16)输出的控制，对PWM调节器(16)输出的脉冲形式的电压信号进行功率放大，该单元的输出为步进电机(5)的定子绕组供电；

步进电机(5)，为两相(或四相)步进电机，该电机的定子具有两个结构、电气特性完全相同的绕组线圈，当两个线圈中通过一定形式的脉冲电流时，步进电机就会转动，旋转的速度与(18)输入脉冲的频率成正比，旋转的角度与(18)输入脉冲的个数成正比，旋转的方向与电机定子中两相绕组中脉冲式电流的相位有关；

电流反馈(20)，该单元用于对步进电机定子中流过的电流进行取样，输出信号是与定子电流的大小成正比的电压信号；

滤波与放大(7)单元接收(20)电流反馈信号，并对该信号进行滤波作用，以滤除掉电流反馈信号中混杂的高频噪声信号，同时对(20)的电流反馈信号进行电压放大；

模拟——数字变换(6)接收经过滤波、放大(7)后的电流反馈信号，将这个模拟信号变换为数字形式的量，并输入到数字控制器(19)中；

位置计数脉冲反馈(21)接收由步进电机(5)驱动的运动机构位置反馈装置发出的位置计数脉冲信号，并对该脉冲信号进行计数操作，单位时间内的计数值与电机运动速度成正比，该单元从位置反馈单元发出的位置计数脉冲信号中分辨出运动方向信号；

脉冲整形单元(22)对代表位置反馈(21)的脉冲信号进行波形处理，去除混杂在信号中的干扰成分，使得脉冲信号规范，将此信号传送给数字控制器(19)；

状态检测单元(23)检测运动系统中的状态信息，如运动的极限位置限位信号，某运动方向的初始位置(0位)信号，将检测到的这些信号输入到中央处理单元(17)中；

2.根据权利要求1所述的全数字细分型高精度步进电机控制器，其特征在于：

中央处理器单元(17)的内部存储器中以数字形式存有步进电机定子两相绕组电流给定值的细分波形数据，当细分标准确定以后，中央处理单元以确定的精度向数字控制器(19)输出步进电机定子两相绕组的电流给定波形值；

中央处理器单元(17)的内部存储器中以数字形式存有步进电机定子两相绕组中电流的上升与下降的变化波形数据，当控制器开始工作时，中央处理单元以确定的精度向数字控制器(19)输出步进电机定子两相绕组的电流上升波形值(由0上升到标称值)，当控制器工作结束时，中央处理单元以确定的精度向数字控制器(19)输出步进电机定子两相绕组的电流下降波形值(由标称值下降到0)；

外部接收细分设置信号，根据这些设置信号的组合状态完成细分精度的设定过程，中央处理单元(17)按照所设定好的细分精度从电流给定值存储表中查出电流给定值；

外部接收电流设置信号，根据这些设置信号的组合状态完成对被控制的步进电机定子电流的幅值设定过程，被控制的步进电机定子电流的幅值有16种状态；

根据应用环境的精度要求，预先设置步进电机的细分精度和电机电流的幅值，电流幅值曲线以数据表的形式预先存储在中央处理单元中，当中央处理单元(17)接收到运动信号脉冲(Step)和方向信号(CW/CCW)时，中央处理单元按照脉冲信号(Step)的快慢，从数据表中查出步进电机(5)定子两相绕组的电流给定值，步进电机(5)定子绕组中的两相电流经过电流检测单元(20)检测后得到两相电流的反馈值，该反馈值经过滤波放大电路(7)进行滤波、放大，经过模拟——数字变换单元(6)进行模-数变换，得到数字形式的电流反馈量，输入到中央处理单元(17)中，中央处理单元(17)通过软件程序建立了两个调节功能、参数特性完全相同的数字式电流调节器(19)，该调节器的输入量有两个；1)由电流给定单元(1)给出的电流给定值I_g2)如上述的，经过滤波放大和模——数变换的电流反馈值I_f，电流控制器(2)对这两个量进行运算，得到数字形式的控制量Ui，利用该数字量控制脉宽调制器(3)；用脉宽调制器(3)的输出信号直接控制两个结构完全相同的H桥式功率放大器(4)，电路是由CMOS半导体管组成的功率放大电路，每一个H桥式功率放大器(4)为步进电机的一个绕组供电。

3.根据权利要求1所述的全数字细分型高精度步进电机控制器，其特征在于：同步串行通讯(8)是一个接口电路，为3线同步通讯模式，三条通讯线路分别为时钟线(Clock)，数据输入线(Data_In)，数据输出线(Data_Out)；异步串行通讯电路为2线异步通讯模式，两条通讯线路分别为数据接受线(RXD)，数据发送线(TXD)；为了减少本控制器与上层控制单元之间的干扰，在设计这两种标准通讯接口时附加了光电隔离单元(10)(11)，通过这两个数据通讯接口，步进电机控制器能够以命令的形式直接接收与本控制器连接的系统主控制计算机发来的各种数据或命令，并按照命令规定的要求控制步进电机以要求的速度曲线运动规定的角度。

4.根据权利要求1所述的全数字细分型高精度步进电机控制器，其特征在于：步进电机控制信号输入单元(12)经过光电隔离单元(14)后将上层控制单元发送的运动命令信号输入到中央控制单元(17)中，输入信号主要有指示电机运动的脉冲信号(Step)，决定电机运动方向的方向信号(CW/CCW)，决定本控制器工作状态的信号(En/Dis)，以及对本控制器进行复位操作的复位信号(Run/Rst)；

5.根据权利要求1所述的全数字细分型高精度步进电机控制器，其特征在于：位置计数脉冲反馈(21)上一个位置反馈环节，从步进电机(5)驱动的运动机构中常用的位置反馈元件接收输出信号，如对于旋转位置的反馈单元——增量码盘，对于直线运动的位置反馈单元——光栅尺，对位置脉冲信号进行倍频操作，并从中分辨出运动的方向信号，再经过脉冲整形与滤波电路(22)后，将位置反馈信息输入到中央处理单元(17)中，实现步进电机伺服控制中的位置闭环。

6.根据权利要求1所述的全数字细分型高精度步进电机控制器，其特征在于：状态检测电路(23)对步进电机(5)驱动的运动系统的多种状态进行检测(如运动机构的极限位置限位信号，运动的0位信号)，对这些信号进行延时、滤波和信号整形等操作后，输入到中央处理单元(17)中，为控制系统提供信息，同时将这些信号经过光电隔离单元(15)进行电隔离后，经过信号输出接口单元(13)输出到上层控制单元中。

7.根据权利要求1所述的全数字细分型高精度步进电机控制器，其特征在于：步进电机(5)的定子线圈内的电流由0突然上升到给定值，或由给定值突然降为0时，定子就会突然形成磁场，或磁场突然消失，并使转子从原来的位置转过一个角度，达到一个机械角，产生抖动，对精密机械部件造成损伤，为避免这种现象发生，在步进电机控制器通电和断电的瞬间，控制器不给被控制的步进电机(5)的定子线圈立即通电或断电，当控制器通电后，步进电机(5)的定子线圈内的电流是在规定的时间内，以给定的电流上升曲线和下降曲线，控制步进电机(5)的电流“软上升”或“软下降”。

8.根据权利要求1所述的全数字细分型高精度步进电机控制器的控制方法，其特征在于包括下述步骤：

1)初始化本控制器的各种功能模块；

2)按照步进电机定子电流上升曲线表中的给定值，控制步进电机定子两相绕组电流达到初始值；

3)查询、接受上层控制单元向本控制器发出的的运动命令信号；

4)如接收到运动命令信号，按照命令信号中规定的运动形式(运动速度，运动距离)控制步进电机运动，其中包括：

由步进电机定子两相绕组电流给定值的细分波形数据表中得到定子绕组的电流给定；

●通过电流检测单元检测到定子两相电流的反馈信号；

●由数字电流控制器计算出步进电机定子两相电流的控制量；

●通过PWM调制器输出到功率放大器，达到对定子两相绕组电流的控制；

5)检测步进电机驱动的运动系统的运动状态，进行逻辑判断，传输到上层控制单元中；

6)查询、接受上层控制单元向本控制器发出的运动命令信号，如是运动信号，转步骤4)，

如是运动停止命令信号，转步骤7)；

7)停止对步进电机的运动控制操作，按照步进电机定子电流下降曲线表中的给定值，

控制步进电机定子两相绕组电流下降为0；

8)结束本控制器的工作状态。

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