CN202261141U

CN202261141U - 一种智能型步进电机驱动系统

Info

Publication number: CN202261141U
Application number: CN2011204134789U
Authority: CN
Inventors: 张晓鹏; 谢爱珍; 王传祥; 解兆延; 周广旭; 任兰杰; 张延波; 张琳
Original assignee: JINAN LEIZHIYUAN ELECTRIC CO Ltd; Institute of Automation Shandong Academy of Sciences
Current assignee: JINAN LEIZHIYUAN ELECTRIC CO Ltd; Institute of Automation Shandong Academy of Sciences
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2021-10-26

Abstract

本实用新型公开了一种智能型步进电机驱动系统，包括单片机控制电路，与该单片机控制电路分别相连的电源电路、光电隔离电路、外部信号控制电路、电机选择控制电路、细分电流选择电路和功率驱动电路。所述的单片机控制电路包括单片机、系统状态显示单元、AD检测单元、输入检测单元、外部信号控制选择单元。本实用新型由于引入了无力矩传感器的力矩检测功能及根据负载检测功能实现的驱动电流动态调节功能，大大减少了无谓功耗，提高了电源效率实现了节能减排的目的。它是普通步进电机驱动器的升级换代产品，可广泛用于机器人、机床等精密控制设备上。

Description

一种智能型步进电机驱动系统

技术领域

本实用新型涉及电机控制技术，具体的说是一种智能型步进电机驱动系统。

背景技术

步进电机是一种作为控制用的特种电机, 它的旋转是以固定的角度(称为“步距角”)一步一步运行的, 其特点是没有积累误差(精度为100%), 所以广泛应用于各种开环控制。步进电机的运行要有一电子装置进行驱动, 这种装置就是步进电机驱动器, 它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移, 或者说: 控制系统每发一个脉冲信号, 通过驱动器就使步进电机旋转一步距角。因此步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。所以，控制步进脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，可以对电机精确定位。

步进电机驱动器外部输入信号通常都是脉冲及方向控制信号，因为由外部拨码开关来定义的细分种类极其有限，所以无法实现对细分的自由选择。

另外，步进电机驱动器在无传感器的情况下无法对电机力矩进行检测，从而也无法实现驱动电流根据电机负载的动态调节。

实用新型内容

本实用新型目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种智能型步进电机驱动系统。该步进电机驱动系统可以实现电机控制细分的自由选择及无传感器下的电机力矩检测，从而实现驱动电流根据电机负载的动态调节。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种智能型步进电机驱动系统，它包括单片机控制电路、与该单片机控制电路分别相连的电源电路、光电隔离电路、外部信号控制电路、电机选择控制电路、细分电流选择电路和功率驱动电路。

该单片机控制电路包括单片机，和单片机相连的系统状态显示单元、AD检测单元、输入检测单元、外部信号控制选择单元；

功率驱动电路包括电机最大电流选择单元、力矩检测单元、电流跟随单元、功率保护单元、步进脉冲产生单元、电流检测单元、电流比较单元、主回路驱动单元、主回路功率单元。所述的步进脉冲产生单元和主回路驱动单元连接，主回路驱动单元和主回路功率单元连接，主回路功率单元分别和电机最大电流选择单元、力矩检测单元、功率保护单元、电流检测单元连接；力矩检测单元和电流跟随单元连接、电流跟随单元和电流比较单元连接、电流检测单元和电流比较单元连接；电流比较单元和步进脉冲产生单元连接。

其中：系统状态显示单元，用以显示整个系统的运行状态，包括系统未正常运行、系统内部电压出错、系统电压过压、系统电压欠压、系统过流等状态；

AD检测单元，用于检测系统工作电压和系统电流；输入检测单元，用以检测外部输入信号，外部输入信号包括：外部电机控制信号和功能选择信号；外部信号控制选择单元，用以选择外部信号控制方式，外部信号控制方式包括：常规的“脉冲/方向”和“SPI/方向”控制方式2种。

电源电路，用以对整体系统提供电源；

光电隔离电路，用以对外部输入的步进脉冲进行光电隔离后作为中断信号输出至功率驱动电路和输入检测单元，并对外部输入的方向信号和允许信号进行光电隔离后，输出至功率驱动电路和输入检测单元；

外部信号控制电路，用以对步进电机进行控制，包括常规的“脉冲/方向”控制电路和SPI控制电路；

电机选择控制电路，用以选择不同种类的电机控制方式，以保证受控电机在最优情况下运行；

细分电流选择电路，用以决定电机运行细分值和电机工作电流，并将所选择的结果送入输入检测单元进行处理；

电机最大电流选择单元，用以步进电机最大电流的选择；

力矩检测单元，用以电机运行时的力矩检测功能；

电流跟随单元，用以控制驱动电流根据电机负载的动态调节功能；

功率保护单元，用以防止功率驱动电路的过温、短路、开路、欠压；

步进脉冲产生单元，用以产生与驱动电路相匹配的步进电压脉冲；

A/D转换单元，用以检测电机总电流的值；

电流比较单元，用以将AD转换单元的值和根据外部脉冲信号产生的相对应细分阶梯电流的相应数值进行比较；

主回路驱动单元，用以驱动主回路功率单元进行功率控制；

主回路功率单元，用以接收主回路驱动单元的驱动信号，驱动电机运行。

本实用新型的工作原理为：在步进电机驱动器无力矩传感器的情况下，通过检测驱动器主回路的工作电流，检测到步进电机所带负载的大小，根据所检测到的结果动态调节步进电机驱动器的工作电流。

当外部控制方式选择为SPI控制方式时，外部控制信号可直接控制步进电机各相电流的大小，将电流值传送到驱动器，驱动器根据接收到的电流数值调节电机的各相电流，根据需要，可实现对步进电机的任意细分控制。

采用上述的技术解决方案，在单片机控制电路的控制下，系统可以提供2种方式来控制电机。一种是常规的“脉冲/方向”控制方式，一种是SPI控制方式，电机线圈电流可以被直接控制，在SPI控制方式下，可以根据需要对电机进行任意的细分控制。这种方式提供了更为直接，工作电流更为平滑的控制操作。另外，本实用新型可实现步进电机无传感器下的力矩检测及驱动电流根据电机负载的动态调节。

本驱动系统的工作过程如下：

本驱动系统分为2种控制方式，“脉冲/方向”和SPI控制方式。

其中“脉冲/方向”控制方式是常规的控制方式，该方式分为脉冲和方向控制信号，脉冲信号控制电机的运行角度和速度，方向信号控制电机的运行方向。

SPI控制方式分为电流信号和方向信号，其中方向信号与“脉冲/方向”一致；电流信号是由一组20bit的SPI字符串组成，其代表了步进电机2相的驱动电流，因此该控制方式可以以数字的形式直接控制步进电机的相电流，实现了任意细分的控制功能。需要指出的是，当系统处于SPI控制方式时，细分电流选择电路的控制信号无效。

当外部控制信号进入驱动系统，光电隔离电路将外部控制信号进行电气隔离处理，控制信号发送到单片机部分，单片机同时检测外部信号控制选择单元、细分电流选择电路、AD检测单元和电机选择控制电路，单片机根据接收到的信号做出如下控制功能：

1 根据采集到的电机选择控制电路信号，判断驱动系统的电机控制策略。

2 根据采集到的AD检测单元的信号，判断驱动系统的工作状态。

3根据采集到的外部信号控制选择单元，判断系统的工作方式。

4根据采集到的细分电流选择电路的信号，判断系统的工作细分值和电流。5接收外部控制信号，并进行相应处理，并将处理过的控制信号发送到功率驱动电路的步进脉冲产生单元。

步进脉冲产生单元接收到单片机发来的控制信号产生与驱动电路相匹配的步进电压脉冲并且将信号发送到主回路驱动单元，主回路驱动单元将控制信号进行放大，并发送给主回路功率单元。主回路功率单元直接接到外部步进电机进行控制。力矩检测单元从主回路功率单元采集驱动电流，并将采集到的驱动电流进行处理，检测出当前电机工作负载力矩，并通过电流跟随单元智能控制驱动电流，实现控制驱动电流根据电机负载的动态调节功能。功率保护单元防止主回路功率单元过流。电机最大电流选择单元控制主回路功率单元的最大工作驱动电流。

本实用新型的有益效果：1、大大提高了电机驱动的性能，适用于两相、三相、四相、五相步进电机驱动器的改造。2、本实用新型由于引入了无力矩传感器的力矩检测功能及根据负载检测功能实现的驱动电流动态调节功能，大大减少了无谓功耗，提高了电源效率实现了节能减排的目的。而且，由于SPI控制方式的引入，可以对电机相电流进行直接控制，实现了对步进电机的任意细分控制。它是普通步进电机驱动器的升级换代产品，可广泛用于机器人、机床等精密控制设备上。

附图说明

图1为智能型步进电机驱动系统结构框图；

图2为单片机控制电路结构框图；

图3为功率驱动电路结构框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种智能型步进电机驱动系统，包括单片机控制电路、与该单片机控制电路分别相连的电源电路、光电隔离电路、外部信号控制电路、电机选择控制电路、细分电流选择电路和功率驱动电路。该单片机控制电路与功率驱动电路连接，接受2组外部光电隔离电路、电机选择控制电路、细分电流选择器的输出信号，进行处理。

如图2所示，该单片机控制电路包括单片机，和单片机相连的系统状态显示单元、AD检测单元、输入检测单元、外部信号控制选择单元。

如图3所示，功率驱动电路包括电机最大电流选择单元、力矩检测单元、电流跟随单元、功率保护单元、步进脉冲产生单元、电流检测单元、电流比较单元、主回路驱动单元、主回路功率单元；所述的步进脉冲产生单元和主回路驱动单元连接，主回路驱动单元和主回路功率单元连接，主回路功率单元分别和电机最大电流选择单元、力矩检测单元、功率保护单元、电流检测单元连接；力矩检测单元和电流跟随单元连接、电流跟随单元和电流比较单元连接、电流检测单元和电流比较单元连接；电流比较单元和步进脉冲产生单元连接。

细分电流选择器是外部设置的细分方式倍率选择和电机工作电流选择，它决定细分倍率究竟是2，4，8，16，32，64，128或其他。此外，它还与功率驱动电路中的最大电流选择单元共同决定步进电机的工作电流。最大电流选择单元决定整体系统可以驱动的最大工作电流，细分电流选择器决定电机实际工作电流占最大工作电流的百分比。

电机选择控制电路，用以选择各种步进电机，驱动系统提供各种类型的步进电机控制策略。

2组外部光电隔离电路，用于将系统和外部信号之间进行光电隔离，一组用于隔离外部脉冲/方向控制信号；一组用于隔离SPI接口控制控制信号。

根据外部信号控制选择单元的控制，将控制信号通过光电隔离电路作为单片机的外部中断信号，这些中断信号还传送到功率驱动电路。单片机接收到控制信号，控制功率驱动电路对步进电机进行相应的控制。

功率驱动电路通过力矩检测单元检测步进电机的负载情况，根据检测到电机负载动态调节电机工作电流的大小，大大降低的系统的功耗。

驱动器主回路是PWM脉冲宽度调制型的功放电路，它接收步进脉冲产生的三相电机脉冲信号，经功率放大后完成驱动步进电机的功能。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims

1.一种智能型步进电机驱动系统，其特征是：包括单片机控制电路、与该单片机控制电路分别相连的电源电路、光电隔离电路、外部信号控制电路、电机选择控制电路、细分电流选择电路和功率驱动电路。

2.如权利要求1所述的智能型步进电机驱动系统，其特征是：所述的单片机控制电路包括单片机，和单片机相连的系统状态显示单元、AD检测单元、输入检测单元、外部信号控制选择单元。

3.如权利要求1所述的智能型步进电机驱动系统，其特征是：所述的功率驱动电路包括电机最大电流选择单元、力矩检测单元、电流跟随单元、功率保护单元、步进脉冲产生单元、电流检测单元、电流比较单元、主回路驱动单元、主回路功率单元；所述的步进脉冲产生单元和主回路驱动单元连接，主回路驱动单元和主回路功率单元连接，主回路功率单元分别和电机最大电流选择单元、力矩检测单元、功率保护单元、电流检测单元连接；力矩检测单元和电流跟随单元连接、电流跟随单元和电流比较单元连接、电流检测单元和电流比较单元连接；电流比较单元和步进脉冲产生单元连接。