CN203119829U - 一种基于arm控制的两相步进电机细分驱动器 - Google Patents

Abstract

一种基于ARM控制的两相步进电机细分驱动器，涉及工业自动化自动控制领域。本装置包括，ARM主控制器，斩波调制器，场效应管驱动器，采样反馈电路；ARM主控制器包括波形发生单元、时钟发生单元、输入IO信号采集单元、逻辑控制单元、RS232通信单元；场效应管驱动器包括半桥驱动单元、场效应管阵列单元；采样反馈电路包括阻容滤波和信号调理部分；采样反馈保证设定和输出的一致性。本新型采用先进的ARM微处理器，把几个处理单元集成到一个芯片中，提升了控制精度和灵活性，降低了生产成本和维护难度，除受控模式，还具备独立运行模式。

Description

一种基于ARM控制的两相步进电机细分驱动器

技术领域

本实用新型涉及工业自动化自动控制领域，尤其是一种基于ARM控制的两相步进电机细分驱动器。 

背景技术

在现代工业自动化控制系统中，步进电机因其转速、步进数易控而被广泛应用，步进电机控制是由步进电机驱动器完成的，步进细分驱动原理是，将传统的一个步分成N份（如下图所示：相电流成了正弦和余弦阶梯波形），使步进电机的一个相电流按正弦波方式变化，另一个相电流按余弦波方式，根据力的矢量合成，每一小步的力距始终恒定不变，这样步进得到了细分而又不影响步进电机的性能和转动稳定性。 

两相步进细分驱动器的实现方式有两种，一种是传统的分立方式，另一种是利用DSP方式，传统方式原理简单，但速度慢，用器件多，干涉多，维护困难，DSP方式运算能力强，但成本高，控制能力差。最新发展起来的ARM（Advanced RISC Machines）技术则有运算能力强，速度快，存储容量大等优点，而ARM内部集成了定时器、AD/DA等功能模块，I/O端口资源丰富，控制灵活，因此采用基于ARM控制芯片的两相步进电机细分驱动器的设计则可以达到功能更加完善、性能更加优越、控制更加灵活，同时又降低了生产和维护成本。 

发明内容

本实用新型的目的是克服上述之缺点，设计了一种基于ARM控制步进电机运行时序和相电流的两相步进细分驱动器，具备受控运行和独立运行的能力。 

本新型的目的是这样实现的：一种基于ARM控制的步进电机细分驱动器，包括，ARM主控制器1，斩波调制器2，场效应管驱动器3，采样反馈电路4；ARM主控制器1包括波形发生单元1.1、时钟发生单元1.2、输入IO信号采集单元1.3、逻辑控制单元1.4、RS232通信单元1.5；场效应管驱动器3包括半桥驱动单元3.1、场效应管阵列单元3.2；采样反馈电路4包括阻容滤波4.1和信号调理部分4.4； 

所述基于ARM控制的两相步进电机细分驱动器的ARM主控制器1上的输入IO信号采集单元1.3通过光耦接收外部输入信号。

所述基于ARM控制的两相步进电机细分驱动器的ARM主控制器1上的波形发生单元1.1通过DA接口与斩波调制器2连接。 

所述基于ARM控制的两相步进电机细分驱动器的ARM主控制器1上的时钟发生单元1.2与斩波调制器2连接。 

所述基于ARM控制的两相步进电机细分驱动器的ARM主控制器1上的逻辑控制单元1.4与场效应管驱动器3的半桥驱动单元3.1连接。 

所述基于ARM控制的两相步进电机细分驱动器的采样反馈电路4连接斩波调制器2和场效应管驱动器3的场效应管阵列单元3.2。 

所述基于ARM控制的两相步进电机细分驱动器的ARM主控制器1的主控芯片采用STM32F103 ARM芯片。 

所述基于ARM控制的两相步进电机细分驱动器的场效应管驱动器3半桥驱动单元3.1采用IR2104芯片，场效应管阵列单元3.2采用IRF540芯片。 

本细分驱动器的系统工作原理主要是在受控模式下ARM主控制器通过采集外部输入信号，产生正弦、余弦波形和控制器逻辑时序，控制场效应管驱动器产生开关动作，斩波调制器读取采样反馈电路的数值，控制开关动作时间的长短，使步进电机的相电流波形和幅度无限逼近正弦、余弦波形，步进电机的一个步长细被分成了波形点数N小步，力矩恒定不变，波形表的点数决定着细分数；在独立模式下，根据RS232通信单元的设定参数，自动产生波形和逻辑控制时序，对步进电机进行细分驱动和完成规定动作。 

与现有技术相比，本细分驱动器的优点及积极效果在于采用了ARM芯片，内部丰富的资源，能将各个单元集成在ARM芯片内部，硬件电路得到了简化，ARM有较强的运算能力，能对数据进行快速的处理和传输，满足了上位机与细分驱动器间的通信联系和独立运行能力，在不降低指标的同时，把生产成本、维护成本降低，提高了工业自动控制的灵活性。 

附图说明

图1是本新型所述的电路原理框图示意图； 

图2是所述ARM主控制器内置电路原理框图示意图；

图3是本新型ARM主控制器主芯片STM32F103电路图（含RS232通信接口/EEPROM数据存储）；

图4是本新型场效应管驱动器电路图（共有2路，每路相同）；

图5是本新型采样反馈电路图；

图6是本新型斩波调制器电路图（共有2路，每路相同）；

具体实施方式

参见图1至图6给出的实施例以及示意图。一种基于ARM控制的两相步进细分驱动器包括包括，ARM主控制器1，斩波调制器2，场效应管驱动器3，采样反馈电路4；ARM主控制器1包括波形发生单元1.1、时钟发生单元1.2、输入IO信号采集单元1.3、逻辑控制单元1.4、RS232通信单元1.5；场效应管驱动器3包括半桥驱动单元3.1、场效应管阵列单元3.2；采样反馈电路4包括阻容滤波4.1和信号调理部分4.4； 

本实施例采用ARM主控制器1上的输入IO信号采集单元1.3通过光耦接收外部输入信号，波形发生单元1.1和逻辑控制单元1.4根据外部信号同步产生细分用的正弦波、余弦波和正反相逻辑控制时序；时钟发生单元1.2产生的高频信号控制场效应管驱动器3半桥驱动器单元3.1开通和关闭；步进电机的相电流经过采样反馈电路4反馈到斩波调制器2上。

场效应管驱动器3由半桥驱动芯片3.1和场效应管阵列3.2组成，场效应管阵列搭成全桥结构，通过对半桥驱动芯片逻辑控制，使得场效用管组成的全桥同一时刻只有一个方向是导通的，且方向可控。 

采样反馈电路把高频相电流转变为电压信号，滤波后放大到合适的幅度，再送到斩波调制器的输入端。 

斩波调制器2是由比较电路和触发器组成，采集反馈的相电流小于波形发生的幅值时，触发器继续开通，场效用管继续开通，相电流增加，当相电流大于时，则关断场效应管，相电流减少。 

当本实施例处于自动控制模式时，上位机通过ARM主控制器1的RS232通信单元1.5设置自动运行参数，包括，步进速度，步进数，步进过程等步进曲线，且参数保存在EEPROM中，不丢失，这在固定往返动作场合非常实用，配置灵活，不需要增加额外控制设备。 

工作程序： 

1、根据工作模式、细分数N、相电流大小，初始化波形表点数、信号发生时钟、波形表输出幅度等参数；

2、上位机通过RS232通信单元配置的参数，保存在EEPROM，下发到自动控制程序；

3、信号发生单元输出高频时钟，控制场效应管开通和关断，采样反馈电路把相电流调理成合适的电压信号，送到斩波调制器的输入端，与波形表输出幅度相比较，大于波形表幅度，则关断场效应管，相电压降低；小于波形表幅度，则继续开通场效应管，相电压继续升高，通过斩波器的调制，使步进驱动器的相电流波形和幅度都逼近波形表的形状和幅度，一个步进时序被分成了1/4波形点数，这就完成了一大步到N小步的转换。

图4中，R59为30mm的康铜丝。电源输入范围为直流30~40V，场效应管驱动器的半桥驱动单元12V电源通过高压LDO变换得来，再由LM7805变换出5V电源，ARM主控器电源由图3上的SPX111-3.3V转换而来。 

Claims (4)

1.一种基于ARM控制的两相步进电机细分驱动器，包括ARM主控制器（1），斩波调制器（2），场效应管驱动器（3），采样反馈电路（4），所述的ARM主控制器组成包含波形发生单元（1.1），时钟发生单元（1.2），输入IO信号采集单元（1.3），逻辑控制单元（1.4），RS232通信单元（1.5），其特征是：所述的ARM主控制器（1）上的波形发生单元（1.1）通过DA接口与斩波调制器（2）连接；所述的ARM主控制器（1）上的时钟发生单元（1.2）与斩波调制器（2）连接； 所述ARM主控制器（1）上的逻辑控制单元（1.4）与场效应管驱动器（3）的半桥驱动单元（3.1）连接。

2.根据权利要求1所述一种基于ARM控制的两相步进电机细分驱动器，其特征是：所述采样反馈电路（4）连接斩波调制器（2）和场效应管驱动器（3）的场效应管阵列单元（3.2）。

3.根据权利要求1所述一种基于ARM控制的两相步进电机细分驱动器，其特征是：所述ARM主控制器（1）的主芯片型号为STM32F103；以及型号为IR2104的半桥驱动芯片。

4.根据权利要求1所述一种基于ARM控制的两相步进电机细分驱动器，其特征是：可通过RS232通信单元从上位机获取运行轨迹参数并能保存在EEPROM中。

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