CN206251008U - 一种混合式控制步进电机的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种混合式控制步进电机的控制系统，该系统包括整流电路、控制器、混合式控制步进电机，所述控制器包括电机驱动模块、单片机控制模块、显示电路模块、按键装置和单片机电压驱动电路模块，所述按键装置通过分别设置的按键分别为控制电机运行，并通过第一、第二显示模块显示电机运行状态，能够较容易满足高定位精度、高分解能、高响应性的要求，容易看到混合式控制步进电机的运行状态。

Description

一种混合式控制步进电机的控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种步进电机的控制系统，尤其是一种用于单电压驱动电路的可控制的经济型混合式控制步进电机的控制系统。

背景技术

现有技术中，单一反应式和永磁式步进电机在许多领域不能很高效的工作，普通的步进电机经过这些年的不断改进，基本能和直流、异步等其他类型电机相提并论成为电机一种基本类型，可以适用在一些控制性高的机械系统中，工作时往往一般在速度，位置控制，需要精确操作各项指令的精确度、响应性方面的要求不很高的场所，而普通的步进电机作为一种纯粹数字控制电机，工作时将脉冲信号转为角位移，因此步进电机状态受外界环境以及负载改变的影响，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，还不能够较容易满足高定位精度、高分解能、高响应性的要求。

现有技术中反应式的步进电机一般为三相电机通电时迅速产生磁场，失电时迅速去磁，为了产生电磁转矩，需要按一定规律在定转子上都开上槽，当通电时定转子的错齿就会发生相对的变动达到对齿状态，进而导致了磁场的变化产生电磁转矩，运行性能不稳定。永磁式步进电机是通过改变电磁场的相序进而产生电磁转矩，相对与反应式运行动态性能较好，且能够产生较大的输出转矩，但是也有自身的缺点就是当电流相序变化太快时，容易失步。

在步进电机控制中，用单片机直接驱动的缺点是，单片机输出的电流比较小，无法正常驱动功率比较大的电机 ，如果强行驱动会导致电机工作状态不稳定，并且只适合驱动小功率的电机。现有技术中使用驱动电路来驱动电机，驱动电路的电源供给是直接从总电源供给的而非单片机供给，这样的话就可以输出比较大的电流驱动功率比较大的电机。而且现有技术中步进电机的驱动电路开始采用晶闸管控流，使电流的控制精度得到了大幅度提高，但是电机数字化、精确化程度不够。

本实用新型是混合式步进电机，恰好是以上两种步进电机取长补短的结果，保留了反应式的齿槽也采用了了永磁式的定转子采用永磁材料，在性能上得到了大幅度提高，同时采用单片机结合驱动电路控制，单片机根据所写的程序产生脉冲信号^[5]，将脉冲信号发送给驱动电路，驱动电路再根据点单片机发送过来的脉冲信号产生新的驱动脉冲信号，此时产生的驱动信号比单片机直接产生信号强度强很多。

本实用新型的混合式控制步进电机的控制系统，该系统包括整流电路、控制器、混合式控制步进电机，使电流的控制精度得到了大幅度提高，并且通过分开控制按键设置，能够较好的控制混合式步进电机，通过两套独立的显示电路模块容易看到混合式控制步进电机的运行状态。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种混合式控制步进电机，克服现有技术中电机不能够较容易满足高定位精度、高分解能、高响应性的要求，以及步进电机的驱动电路开始采用晶闸管控流，使电流的控制精度得到了大幅度提高，但是电机数字化、精确化程度不够等缺陷。

一种混合式控制步进电机的控制系统，该系统包括整流电路、控制器、混合式控制步进电机，所述控制器连接在所述混合式控制步进电机和所述整流电路之间，其特征在于所述控制器包括电机驱动模块、单片机控制模块、显示电路模块、按键装置和单片机电压驱动电路模块，所述电机驱动模块连接所述单片机控制模块和所述混合式控制步进电机，所述单片机电压驱动电路模块向单片机提供电源，所述显示电路模块连接所述单片机控制模块用于显示所述混合式控制步进电机的运行状态；所述按键装置连接所述单片机控制模块用于向单片机提供所述混合式控制步进电机的指令。

所述按键装置包含了六个按键，六个按键自上而下设置，分别为控制电机运行的启动按键（A）、停止按键（B）、加速按键（C）、减速按键（D）、正转按键（E）、反转按键（F）。

所述显示电路模块包括第一显示模块（44）和第二显示模块（55），所述第一显示模块包括显示正转的二极管D1、显示反转的二极管D2、显示停止的二极管D3、显示减速的二极管D4、显示加速的二极管D5，所述第二显示模块为LED屏显示。

所述混合式控制步进电机为三相电机，包括绕组定子和永磁转子。

本实用新型同同类电机控制系统相比，本实用新型采用了优良的控制电路，通过分开控制按键设置，能够较好的控制混合式步进电机，并且能够较容易满足高定位精度、高分解能、高响应性的要求；通过两套独立的显示电路模块容易看到混合式控制步进电机的运行状态。

附图说明

图1是本实用新型的混合式控制步进电机的结构示意图。

图2为本实用新型混合式控制步进电机的驱动整体示意图。

图3是本实用新型的混合式控制步进电机的控制系统的总电路图。

具体实施方式

图1是本实用新型的一种混合式控制步进电机的结构示意图。本实用新型的混合式控制步进电机中转子的槽中设置了永磁体，或者突出的齿为永磁。其中本实用新型的三相式就是定子有三相同时假设转子上有八齿，参见图1中A相，其它相B、C也是相同的，定子三相每相顺时针相差三分之一π，而转子的八齿之间相差并不是均匀的三分一π，这样就导致当电机定子某相通电时与转子的两齿对其时，其他相与邻近的齿是不对齐的，这样当新相通电时，根据最小磁阻原理，转子的错齿就会转过一定角度与该相对齐，而原来对齐的相由于是软磁材料失电后与对齐转子对齿失去力的作用之后又会错开，进而带动转子转动。而混合式控制步进电机的工作原理与永磁式步进电机和异步、同步电动机工作原理类似，都是通过通过电流相序的不断改变产生旋转的电磁场，而转子是永磁体这样就会在旋转的电磁场里面受到电磁力的作用开始跟着旋转的电磁场开始转动。而本实用新型的混合式工作原理就是建立在永磁式步进电机和异步电机的原理上，取长去短，根据控制系统系统的控制信号，实现高定位精度、高分解能、高响应性的要求。

图2为本实用新型混合式控制步进电机的驱动整体示意图，它给出了单电压驱动电路下混合式控制步进电机工作所需的各个环节。图2中电源通过整流桥电路将交流电变换为直流电，接入到驱动器的电源部件中，输入电源部件的电压可以控制在18V-40V，实现了低压控制。驱动器连接了电机驱动电路，图2中是接入的两项混合式电机，本驱动系统可以适用于三相混合式电机，已经在图1中示出的电机。控制系统或者控制器可以根据输入的指令，控制步进脉冲、电平脉冲以及阳端电压实现对电机控制。具体控制原理大致为步进电机的驱动系统可以分为三个装置，一部分是电源连接装置1，首先经过交流电源供电，然后经过整流电路后将交流电转换为驱动的所需额定直流电压进而来事电机驱动开始运行；另一控制系统连接装置2，控制系统也就是设计中的单片机与步进电机脉冲发生模块CP和方向电平模块CW相连接，通过控制CW信号的来达到控制电机转向，控制CP信号来控制电机运行速度。最后一部分就是连接电动机装置3，发出脉冲控制电机的运行。

图3是本实用新型的混合式控制步进电机控制系统的总电路图，其中细化了本实用新型的具体电路，该系统包括各部分原件以及接线，其中包括混合式控制步进电机11、电机驱动模块22、单片机控制模块33、显示电路模块、按键装置66和单片机电压驱动电路模块77；其中按键装置66包含了六个按键，六个按键自上而下分别为控制电机运行的按键，分别是启动按键A、停止按键B、加速按键C、减速按键D、正转按键E、反转按键F，其中按键装置66是用来提供人机接口的键盘，在本实用新型中，使用了标准的键盘。按键装置将采用键盘作为按键装置的核心元件，常用的键盘结构有独立式和行列式键盘两种，其中独立式键盘有操作简单的优点，因为的每个按键装置都是独立接在单片机上，但是当按键较多时因为每个按键引线都是独立的就会出现接线比较散乱的现象，而行列式键盘是一些I/O口控制行，一些I/O口控制列，然后由多条I/0口接口引线组成的矩阵式键盘，由于本设计一共只有启动，停止，正转，反转，加速，减速6个工作状态，所以采用独立式的键盘。

显示电路模块包括显示模块44和显示模块55。本实用新型的显示电路一般分两种：一种是数码管显示，另一种是LED屏显示；数码管比较简单好用，但是只能显示数字；而LED显示屏却可以显示字符、汉字、英文字母都可以，但是程序书写比较麻烦。除此之外，本实用新型的数码管显示的接法也有两种，一种串行接法，一种并行接法。串行只有两个I/O口接线简单，当数码管多时运行速度不够快，但是成本低。并行的I/0口多但是运行速度快，数码管多时在速率要求比较高情况下较使用。本图中示出的数码管较少，所以采用串行接法并用74LS164芯片作为显示驱动。数码管的现实驱动使用74LS164，通过SPCE061A的IOBO口对DATA和CLK发送数据，在本实用新型的电路中，主要通过5个二极管来显示电机所处的工作状态，每个二极管表示了不同的电机状态，图中D1显示正转、D2显示反转、D3显示停止、D4显示减速、D5显示加速，显示电路参见图3。数码管按照接线方式的差异分为共阴极和共阳极，共阴极是所有的数码管的接地端整合在一起。共阳极是所有的数码管的电源端接在一起，这次试用的是共阴极把数码管的接地端接到GND上就可以了。而单片机那需要提供信号给数码管的驱动，再由数码管的驱动来驱动数码管，单片机发送信号的时候还需要一排上拉电阻，否者电流比较小无法驱动数码管正常工作，这一点要尤其注意。LED显示器采用七段的数码管，这些属于现有技术，而每一段数码管实际就是一个单向导通的二极管。工作时根据单片机的电平信号导通相应段的二极管，进而显示出响应的数字，并由几个数码管一起工作显示电机当时工作状态。数码管得驱动过程采用恒电平静态显示只有一个数码管才能达到静态显示的效果，让他们依次显示数字，但是本实用新型用到的有限的数码管效果还是非常好的。

本实用新型的单片机控制模块为普通型单片机。普通型单片机是为某个目的而进行设计的含有中央处理系统的一块电路板，这块电路板只要将需要的模块放上去就好，所以它的面积比较好。它是对某种功能设计的单片机，它的优点是体积小，稳定性高，这种单片机在市场上容易买到，例如51单片机等，这种单片机拥有各种各样的功能，它比较简便的为人们提供功能。它拥有很多的优点，不用单独的绘制电路板，拥有各种各样的功能。在使用时，只要需要将这种板子与外围器件相连，就可以使用了。那种专用的单片机想使用就必须单独绘制电路图，非常麻烦。一般专用的单片机是用来量产的产品，大量生产，所以能将设计的成本收回来。本设计还没有达到量产的地步，所以就选用广泛型的单片机。使用非常的方便。

在控制系统中，示出的电路可以操控混合式步进电机，其中混合式步进电机的旋转的方向的改变可以从两方面看。一方面是宏观上看，在电机正转时，当接收到反转的指令信号时它将改变转向，在这过程中它要经历匀速反向减速停止反向加速匀速，其实这个过程包含了电机的加减速控制的过程，所以要注意对突跳频率和启动频率的控制，以免损坏电机。另一方面是从内部看，使电机换向实际上就是电流信号的改变，单片机在正转情况下接收到反转的指令时就会改变发给电机驱动电流脉冲的相序，同时在电机驱动内部也有个方向电平信号控制模块，当它接收到和原来相序相反的电流信号时，它就会改变发给步进电机脉冲的方向这样电机在克服惯性作用后就会开始发转。但同时在为了不损坏电机，在正常情况下，脉冲式方波，无论是低电平还是高电平都会有一段延时，所以换向信号要在方波平稳出发出，切记不能在方波上升沿和下降沿出发出换向信号，这样都会导致电机失步。而步进电机由于其本身的特点反而不需要位置传感器，在成本上可以说节省了很多。其位置控制原理简单理解可以是这样子的：要想达到目标位置，首先要知道自己的初始位置也就是当前所处的位置，这个位置也被称作绝对位置。在确定了初始位置和目标位置之后，我们需要知道他们之间的距离S.由于控制电机的脉冲信号的频率是可控的，我们可以将脉冲信号的频率转换为步进电机工作时的速度V,由于脉冲是方波所以电机工作状态达到稳定时，速度是匀速。这样我们知道距离S和速度V这样我们计算好时间t，将时间书写到程序里面，在初始位置启动中断，用定时器计时t等计时结束也就达到了预定位置。

在本实用新型中公开的不仅限于技术方案、优点和特性的任意特定选取或组合，认为所阐述的技术方案、优点和特性的各种组合构成了在本申请中所公开的发明。

Claims (4)

1.一种混合式控制步进电机的控制系统,该系统包括整流电路、控制器、混合式控制步进电机，所述控制器连接在所述混合式控制步进电机和所述整流电路之间，其特征在于，

所述控制器包括电机驱动模块、单片机控制模块、显示电路模块、按键装置和单片机电压驱动电路模块；

所述电机驱动模块连接所述单片机控制模块和所述混合式控制步进电机，所述单片机电压驱动电路模块向单片机提供电源；

所述显示电路模块连接所述单片机控制模块用于显示所述混合式控制步进电机的运行状态；

所述按键装置连接所述单片机控制模块用于向单片机提供所述混合式控制步进电机的指令。

2.根据权利要求1所述的混合式控制步进电机的控制系统，所述按键装置包含了六个按键，六个按键自上而下设置，分别为控制电机运行的启动按键（A）、停止按键（B）、加速按键（C）、减速按键（D）、正转按键（E）、反转按键（F）。

3.根据权利要求2所述的混合式控制步进电机的控制系统，所述显示电路模块包括第一显示模块（44）和第二显示模块（55），所述第一显示模块包括显示正转的二极管D1、显示反转的二极管D2、显示停止的二极管D3、显示减速的二极管D4、显示加速的二极管D5，所述第二显示模块为LED屏显示。

4.根据权利要求3所述的混合式控制步进电机的控制系统，所述混合式控制步进电机为三相电机，包括绕组定子和永磁转子。