CN203872095U - 一种3d打印中的步进电机控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种3D打印中的步进电机控制电路，包括主控单元、恒流斩波单元、功率驱动单元、电流检测单元以及位置检测单元；主控单元产生相序信号，输入到恒流斩波单元与PWM波合成，将合成后的相序信号输入至功率驱动单元从而驱动步进电机；电流检测单元负责检测步进电机相电流值，电流检测单元传递信号至恒流斩波单元，位置检测单元负责检测步进电机运行位置，位置检测单元传递信号至主控单元。本实用新型的控制电路能够高效、准确、快速的控制步进电机。

Description

一种3D打印中的步进电机控制电路

技术领域

本实用新型涉及一种步进电机的控制技术，尤其是在3D打印领域中使用的步进电机。

背景技术

3D打印中的电机控制，实际上是一种运动控制。根据运动控制的不同特点与应用领域，运动控制系统可以分为点位运动系统与同步运动系统三种类型。点位运动系统的特点是仅对终点位置有要求，与运动的中间过程即运动轨迹无关，这种运动被称为点位运动，主要应用在数控钻床、印刷电路板(PCB)钻床、表面贴片机(SMT)、集成电路插装机等领域；同步运动系统的特点是对多个轴之间的运动进行协调控制以实现位置或速度的同步，这种运动被称为同步运动，主要应用在工业中套色印刷、包装机械、造纸、轧钢等领域。

由于通常的运动控制器只具有直线插补与圆弧插补功能，因此逼近方法一般采用直线逼近与圆弧逼近两种方式。直线逼近又叫线性逼近，是常用的逼近曲线方法，其原理简单，通常采用曲率圆弧来近似估计逼近误差以计算符合精度要求的逼近直线段参数变量，并且应用范围广，可以用直线逼近各种复杂曲线。直线逼近虽然计算简单，应用范围广，但是缺点是生成的逼近曲线不是一阶连续的，在期望精度高的场合生成的逼近直线段数太多，造成数据存储和传输上的负担，影响运动的效率。圆弧逼近在一定程度上可以弥补直线逼近的不足，采用适当的逼近方法可以生成一阶几何连续的逼近曲线，并且生成的逼近圆弧数量较少，难点在于控制逼近误差的计算较复杂，难以解析地求解出目标曲线与逼近圆弧之间的距离，往往需要借助数值计算方法才能求解出满足精度要求的逼近圆弧参数。

插补是运动控制器的核心功能，它是对由分段直线、圆弧等简单曲线组成的目标曲线按照进给速度的要求实时进行“数据点的密化”生成由离散位置点序列组成的逼近轨迹，发送给伺服驱动系统逐点进行跟踪控制，从而实现多轴连续轨迹运动。根据算法结构的不同，通常把插补方法分为脉冲增量法与数据采样法两大类。脉冲增量法的特点是通过若干次迭代运算完成对目标曲线的插补，每次迭代运算时在一个方向上只生成一个进给脉冲输出给伺服电机，根据生成的脉冲的频率高低来决定进给速度的快慢。脉冲增量法一般采用加法、乘法、移位与比较等简单运算来完成，运算量小，进给速度较低，通常只能插补一些形式比较简单的曲线如直线、圆弧等。数据采样法的特点是采用粗、精两步来完成对目标曲线的插补：第一步是粗插补，在目标曲线的起点与终点之间插入若干个点，在插入的点之间采用直线段连接以实现对目标曲线的逼近，每段直线段对应一个插补周期并且直线段的长度满足进给速度的要求；第二步是精插补，它是在粗插补得到的直线段上进行“数据点的密化”，实现对直线段的逼近。数据采样法的应用范围比脉冲增量法广，可以实现各种复杂曲线的插补，但是计算量也随目标曲线的复杂性相应地增加，使得实时性有所降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的、能够大规模普及应用的3D打印机中的步进电机控制电路；能够高效、准确、快速的控制步进电机。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种3D打印中的步进电机控制电路，其特征在于：所述控制电路包括主控单元、恒流斩波单元、功率驱动单元、电流检测单元以及位置检测单元；

主控单元产生相序信号，输入到恒流斩波单元与PWM波合成，将合成后的相序信号输入至功率驱动单元从而驱动步进电机；电流检测单元负责检测步进电机相电流值，电流检测单元传递信号至恒流斩波单元，位置检测单元负责检测步进电机运行位置，位置检测单元传递信号至主控单元。

上述主控单元是DSP，DSP型号为TMS320F28；

DSP接收到外部的步进电机选择和正反转信号后，在GPIOA口上八位和GPIOB口的上四位输出三台步进电机的相序信号，输出顺序依次为A、/A、B、/B；相序信号输出的是双四拍状态AB—/AB—/A/B—A/B。

上述恒流斩波单元控制绕组电流采用脉宽调制芯片SG3525；由绕组中反馈回来的相电压加到1脚反相输入端，由AD7528转换输出的给定相绕组电压信号加到2脚同相输入端；当反馈值小于基准值时，增大PWM波的占空比，从而增大绕组中流经的电流；当反馈值大于基准值时，减小PWM的占空比，减小绕组电流。

上述功率驱动单元是DMOS全桥电机驱动器LMD18201芯片；当要使步进电机工作在双四拍方式时，则3脚、5脚均正常输入，即5脚输入PWM信号，而3脚输入符号信号；。当符号信号为逻辑1时，表示电机正向转动，逻辑0表示电机反向转动；5脚的PWM信号占空比与负载电流大小成正比关系；一片LMD18201芯片为一相H桥结构，驱动一相步进电机绕组。

上述电流检测单元串接精密电阻，获取与电流成比例关系的电压值，经过线性光耦及其外围电路滤波、线性放大后，作为恒流斩波单元的反相端输入。

主控芯片负责控制部分，接收外部的电机选择和细分选择信号以及插补信号，并综合外部信号对三个轴向的步进电机发出相应的控制信号，如发送各轴向步进电机的相序信号、PWM波、细分值数字量、DA芯片的片选信号。逻辑合成单元中通过使用可编程逻辑器件，把相序信号和PWM波进行合成，生成带斩波的相序信号。DA转换单元则通过使用双通道的八位DA芯片，把由DSP发出的步进电机两相的细分值数字量转换为细分功能所需要的细分值模拟量，通过DSP发出的片选信号和写信号来决定转换哪一相的细分值。电流保护单元中，通过取得采样电阻上的电压值跟基准电压值比较，当超出基准电压时，停止系统工作，用于保护电机和控制系统，使得相电流不超标。功率驱动单元采用内置两个H桥的高集成度步进电机控制专用驱动芯片来驱动步进电机，并且将DA转换单元输出的细分值模拟量在驱动芯片中综合，完成细分功能。

针对多轴向步进电机协调控制结构复杂、集成度高的特点，从数字化控制的角度出发，提出了一种多轴向协调控制系统构架，给出了完整的系统软硬件结构。以电流环和位置环的双闭环结构为基础，根据各轴向进给原则和方法，将多轴向步进电机集中协调控制，可对加工过程进行随动响应，以达到减小跟踪误差的目的。系统以数字控制芯片DSP为控制核心，以步进电机集成驱动模块为辅助，采用上位机与控制系统协同工作的方式。所开发的系统不仅有友好的人机交互界面，而且具有同步性高、稳定性好、功能灵活等特点。

细分技术是步进电机控制技术当中一项重要分支，它能有效地解决电机振动和噪声问题。但是当处于高细分状态时，电机每走过一整步需要与细分数相应的脉冲个数。在进行轮廓加工时，这就会影响插补速度。针对这个问题，系统采用了自适应细分技术。系统跟踪误差较大时，控制步进电机运行在整步或低细分状态使其快速进给，带动执行机构迅速减小误差，提高伺服系统的响应速度；在跟踪误差逐渐小的动态过程中，逐步提高电机的细分数，以改善系统的跟踪精度。

附图说明

图1是控制系统框图；

图2是DSP信号输出示意图；

图3是恒流斩波接线图；

图4是功率驱动原理图；

图5是电流检测原理图；

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例,对本发明进行更详细的说明。

本控制系统主要分为五个单元：主控单元、恒流斩波单元、功率驱动单元、电流检测单元和位置检测单元。在图1中，由主控单元发出的控制信号流入到恒流斩波单元，此单元可产生占空比在4％～96％之间变化的PWM脉冲波形。当反馈减小时，输出占空比增大，进而使功率管的导通时间增加，最终导致绕组电流的增加，反之，反馈增大，输出占空比减小，故减少了MOSFET的导通时间，最终使得绕组电流减小，实现对电机绕组的恒流控制；从恒流斩波单元输出的信号流入功率驱动单元，该单元采用全集成H桥芯片，通过该单元驱动步进电机的运行；电流检测单元通过采样电阻对步进电机的相绕组电流进行采样，采样值反馈至横流斩波单元；位置检测通过安装在步进电机上的光电编码器来检测电机旋转的角度，从而检测电机运行的位置。采用正弦阶梯均匀细分技术抑制步进电机的转矩脉动，采用建立统一的正弦细分表通过不同指针位移偏移量的方式来实现可变细分驱动。指数曲线加减速过程，使在步进电机进行加(减)速时，应使频率的变化量逐次递减(增)，即采用变频加速度的方法，来保证输出转矩的变化量不变或均匀递减(增)。

本系统采用的控制核心为TI公司的DSP，选用TMS320F28系列。它负责输出各轴向步进电机的相序信号、PWM波、八位的细分值数字量、DA芯片的片选信号，并且接受外部的电机选择、正反转、细分值选择及插补信号。在图2中，当DSP接收到外部的电机选择和正反转信号后，在GPIOA口上八位和GPIOB口的上四位输出三台步进电机的相序信号，输出顺序依次为A、/A、B、/B；相序信号输出的是双四拍状态，即AB—/AB—/A/B—A/B。

本控制系统具有斩波恒流功能，绕组电流控制采用脉宽调制芯片SG3525。该芯片是一种性能优良、功能全面及通用性强的集成PWM电压控制芯片。本系统需要控制两相步进电机绕组中的电流，单轴电机需2片SG3525，因每轴电机所用的功能相同，故下面以X轴电机为例进行说明。在图3中，表明了SG3525斩波恒流功能如何实现，由绕组中反馈回来的相电压加到1脚反相输入端，由AD7528转换输出的给定相绕组电压信号加到2脚同相输入端。当反馈值小于基准值时，增大PWM波的占空比，从而增大绕组中流经的电流；当反馈值大于基准值时，减小PWM的占空比，减小绕组电流。

功率驱动单元选DMOS全桥电机驱动器LMD18201芯片。当要使步进电机工作在双四拍方式时，则3脚、5脚均正常输入，即5脚输入PWM信号，而3脚输入符号信号。当符号信号为逻辑1时，表示电机正向转动，反之，逻辑0则表示电机反向转动。而5脚的PWM信号，其占空比与负载电流大小成正比关系。一片LMD18201为一相H桥结构，可驱动一相步进电机绕组，因此驱动两相步进电机需要两片芯片。以其中一相绕组驱动为例，在图4中，在1、2脚和10、11脚之间接两个自举电容，使栅压上升时间典型值为100ns以下，允许开关工作频率达500kHz。同时，过温保护信号(9脚)接DSP的I/O口，作为外部中断输入。LMD18201接收DSP的相序信号DIRA，完成电机运行时两相绕组电流的方向换向，并接收SG3525的斩波信号PWM，实现每相绕组中电流的正弦阶梯波形跟随，完成恒流驱动。如果需要制动电机，可通过改变BREAK输入端电平状态进行控制。在8脚串接一个电阻，供采样相绕组电流所用。

电流检测电路为斩波恒流驱动电路提供电流实时反馈，其采样精度和采样速率直接影响了系统的性能。系统采用绕组串电阻的方法获取电流大小。在图5中，可见通过串接精密电阻，获取与电流成比例关系的电压值，并经过线性光耦及其外围电路滤波、线性放大后，作为SG3525的反相端输入。

Claims (5)

1.一种3D打印中的步进电机控制电路，其特征在于：所述控制电路包括主控单元、恒流斩波单元、功率驱动单元、电流检测单元以及位置检测单元； 

主控单元产生相序信号，输入到恒流斩波单元与PWM波合成，将合成后的相序信号输入至功率驱动单元从而驱动步进电机；电流检测单元负责检测步进电机相电流值，电流检测单元传递信号至恒流斩波单元，位置检测单元负责检测步进电机运行位置，位置检测单元传递信号至主控单元。 

2.根据权利要求1所述的3D打印中的步进电机控制电路，其特征在于：所述主控单元是DSP，DSP型号为TMS320F28； 

DSP接收到外部的步进电机选择和正反转信号后，在GPIOA口上八位和GPIOB口的上四位输出三台步进电机的相序信号，输出顺序依次为A、/A、B、/B；相序信号输出的是双四拍状态AB—/AB—/A/B—A/B。 

3.根据权利要求2所述的3D打印中的步进电机控制电路，其特征在于：所述恒流斩波单元控制绕组电流采用脉宽调制芯片SG3525；由绕组中反馈回来的相电压加到1脚反相输入端，由AD7528转换输出的给定相绕组电压信号加到2脚同相输入端；当反馈值小于基准值时，增大PWM波的占空比，从而增大绕组中流经的电流；当反馈值大于基准值时，减小PWM的占空比，减小绕组电流。 

4.根据权利要求3所述的3D打印中的步进电机控制电路，其特征在于：所述功率驱动单元是DMOS全桥电机驱动器LMD18201芯片；当要使步进电机工作在双四拍方式时，则3脚、5脚均正常输入，即5脚输入PWM信号，而3脚输入符号信号；当符号信号为逻辑1时，表示电机正向转动，逻辑0表示电机反向转动；5脚的PWM信号占空比与负载电流大小成正比关系；一片LMD18201芯片为一相H桥结构，驱动一相步进电机绕组。 

5.根据权利要求4所述的3D打印中的步进电机控制电路，其特征在于：所述电流检测单元串接精密电阻，获取与电流成比例关系的电压值，经过线性光耦及其外围电路滤波、线性放大后，作为恒流斩波单元的反相端输入。