CN212137569U - 基于多模通讯和反馈闭环的电机驱动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种基于多模通讯和反馈闭环的电机驱动器，包括DSP模块，通讯模块，电源模块，自测试模块，报警模块；所述DSP模块包括IO、PWM、SCI及AD，所述DSP模块用于接收控制参数，输出驱动所述直流步进电机的电流信号；无线和有线通讯接口电路，通过所述接口电路块与终端连接，用于实现所述DSP模块和终端之间的通信，所述接口电路用于反馈和接收参数显示信息；电源模块，与DSP模块，控制基于直流步进电机控制的闭环控制驱动器安全电压；根据驱动器处理数据，通过通讯模块传输到终端。本实用新型实现了步进电机驱动器控制器一体的紧凑型安装设计，可接收负载端传来的反馈信号，从而实现全闭环控制。

Description

基于多模通讯和反馈闭环的电机驱动器

技术领域

本实用新型涉及的闭环直流步进电机驱动器内置不同的高精度模块从使电机具有高精度，快响应，不失步，修改参数简单等优良特性。

背景技术

步进电机最早是在1920年代由英国人所开发。1950年代后期晶体管的实用新型也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良，使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。

步进电动机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电动机。传统电动机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用。可是在人类社会进入自动化时代的今天，传统电动机的功能已不能满足工厂自动化和办公自动化等各种运动控制系统的要求。

为适应这些要求，发展了一系列新的具备控制功能的电动机系统，其中较有自己特点，且应用十分广泛的一类便是步进电动机。步进电动机的发展与计算机工业密切相关。自从步进电动机在计算机外围设备中取代小型直流电动机以后，使其设备的性能提高，很快地促进了步进电动机的发展。

另一方面，微型计算机和数字控制技术的发展，又将作为数控系统执行部件的步进电动机推广应用到其他领域，如电加工机床、小功率机械加工机床、测量仪器、光学和医疗仪器以及包装机械等。任何一种产品成熟的过程，基本上都是规格品种逐步统一和简化的过程。现在，步进电动机的发展已归结为单段式结构的磁阻式、混合式和爪极结构的永磁式三类。爪极电机价格便宜，性能指标不高，混合式和磁阻式主要作为高分辨率电动机，由于混合式步进电动机具有控制功率小，运行平稳性较好而逐步处于主导地位。

国内步进电机驱动器曾长期处于不冷不热状态，但在倡导低碳、节能减排政策的推动下，步进电机驱动器推广应用必将出现实质性的进展。

国外在小功率的场合，还使用步进电机，例如一些工业器材，工业生产装备，打印机，复印件，速印机，银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用，除了前面提到的旋转编码器，打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机，实现闭环直线位移控制。国内过去是用大力矩步进电动机实现机床数控，有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床，在驱动设备的主要差距，是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强，先进的控制理论作为软件，写在控制器内部。

总的来说，步进电机是一种简易的开环控制，对运用者的要求低，不适合在大功率的场合使用。在卫星、雷达等应用场合，中国在文化大革命后期，就生产了力矩电机，就生产了环形力矩电机，在高品质的控制场合，有时还不能使用步进电机。中国不是有不少电机专业、工业控制专业、数学·系统·先进控制专业的强人？这些问题应该他们来回答为准确，我是下岗无业者。步进电机的细分控制，在改革开放初期，国内就已经基本掌握，这与交流电动机的矢量控制相比，难度要低得多。

实用新型内容

本实用新型提出一种内置不同高精度模块的多模通讯和反馈闭环的电机驱动器，使驱动器高精度，快响应，不失步。

一种基于多模通讯和反馈闭环的电机驱动器，包括DSP模块，通讯模块，电源模块，自测试模块，报警模块；

所述DSP模块包括IO、PWM、SCI及AD，所述DSP模块用于接收所述控制参数，判断是否开始控制，并输出驱动所述直流步进电机的电流信号；

无线(Wifi,5G)和有线(RS485,USB)通讯接口电路，通过所述接口电路块与终端连接，用于实现所述DSP模块和终端之间的通信，所述接口电路还用于反馈和接收参数显示信息；

电源模块，通过电源模块可以很好的保护基于直流步进电机控制的闭环控制驱动器在安全的工作环境；

自测试模块，通过自测试模块可以很快的检测出电机或驱动器的好坏，大大减少了品质检验时间；

报警模块，通过报警模块发出的信息可以快速准确的确认和处理问题；

根据驱动器处理数据，通过通讯模块传输到终端。

更进一步，DSP模块采用TMS320LF2403A，包括电流检测电路、断电记忆关键数据电路、驱动电路和控制信号接口电路。系统主回路部分采用交-直-交电压源型逆变电路，主要由整流桥、滤波电容及智能功率模块(IPM)组成；即整流桥通过PC3-PC6与滤波电容的ACL，A1-A3进行对应连接，智能功率模块的5，6引脚与整流桥的PC7和PC8进行连接，使得在整流的同时自动调整好电路的功率。采用采样电阻检测电机相电流；DSP输出的IPM控制信号经电平匹配电路后直接送到IPM驱动信号端口。

更进一步，通讯模块采用L297芯片，该芯片是一种基于步进电机控制的集成芯片，可以产生四相驱动信号。此芯片的特性是只需要时钟，方向和模式输入信号。即通过该芯片的4引脚与驱动信号的A引脚相连，5引脚连接A相和B相的驱动级，6引脚与驱动信号的B相引脚相连。通过该芯片的15脚连接斩波器向其输入基准电压，关键的一个引脚是通过18脚连接步进时钟，从而达到信号间协调输入，从而减轻微机的程序负担。

更进一步，驱动器采用的为非隔离驱动方式，即DSP的六路PWM输出经过SN74AHC05上拉至5V，为了增强抗干扰性能，再经过一个100W的串联电阻后输入到IPM的驱动信号端口。RPH、CPH和RPL、CPL同时也构成了死区电路，延缓IGBT的开通。即使控制芯片没有死区产生电路，通过选择合适的RPH、 CPH和RPL、CPL值也可以避免上下桥臂直通。在电路板的布局中，RPH、 CPH和RPL、CPL要尽量靠近IPM的引脚。

本实用新型所产生的技术效果。

本实用新型的电机驱动器具备低转速高扭力的特点，在控制精度上相较于伺服电机及编码器都有一定的优势。

本实用新型的运行平稳性较好，特别在低速时噪声更明显，相较于普通步进电机在运行时是低噪音、高平稳性的。

附图说明

图1为本实用新型的硬件系统总体结构。

图2为本实用新型的控制系统框图。

图3为本实用新型的电路原理图及核心芯片管脚。

图4为本实用新型的关键接口电路(DSP与IPM的接口电路)。

具体实施方式

基于多模通讯和反馈闭环的电机驱动器的实现流程是通过输入最高电压 48V后，上电2秒快速自适应启动控制。在加减速过程中引入滤波器，使电机的启动及运行更平稳，滤波参数可配置0级至31级脉冲平滑，能增强机器的运转平稳性，减少电机电流对驱动器的内部冲击。状态指示LED用于指示驱动器实时运行状态，如：正常运行状态，制动运行状态，自测试状态，驱动器发生内部或外部故障等等，如下表所示

表1技术参数表

如图1所示，本产品采用智能功率模块，（IPM)和数字信息处理器(DSP)可以使控制器结构简单、性能可靠，可以实现先进的控制方法，提高步进电机的运行性能。该控制电路以T1的DSP芯片 TMS320LF2403A为核心，包括电流检测电路、断电记忆关键数据电路、驱动电路和控制信号接口电路。系统主回路部分采用交-直-交电压源型逆变电路，主要由整流桥、滤波电容及智能功率模块(IPM)组成；采用采样电阻检测电机相电流；DSP输出的IPM控制信号经电平匹配电路后直接送到IPM驱动信号端口。

如图2所示，本实用新型的控制采用了系统采用矢量控制，在给定转子磁链的位置和两相电流的情况下，通过PI调节，实时控制步进电机的磁场和转矩，从而就能高效率、高精度的控制步进电机。给定电流i_dref、i_qref与反馈电流i_dfdb、i_qfdb之差，经PI调节之后输出电压参考量V_dref和V_qref，再经PARK 逆变换到α-β坐标系下，就可以获得V_αref和V_βref，以这两个量作为电压空间矢量法的输入。其中的θ角可以通过对外部的脉冲计数得到。只要θ角划分的足够细，就可以有效的抑制步进电动机的振动。

如图3所示，本实用新型采用L297芯片，该芯片是一种基于步进电机控制的集成芯片，可以产生四相驱动信号。此芯片的特性是只需要时钟，方向和模式输入信号。即通过该芯片的4引脚与驱动信号的A引脚相连，5引脚连接 A相和B相的驱动级，6引脚与驱动信号的B相引脚相连。通过该芯片的15脚连接斩波器向其输入基准电压，关键的一个引脚是通过18脚连接步进时钟，从而达到信号间协调输入，从而减轻微机的程序负担。

如图4所示，本实用新型的产品驱动器采用的为非隔离驱动方式，即 DSP的六路PWM输出经过SN74AHC05上拉至5V，为了增强抗干扰性能，再经过一个100W的串联电阻后输入到IPM的驱动信号端口。RPH、CPH和RPL、CPL同时也构成了死区电路，延缓IGBT的开通。即使控制芯片没有死区产生电路，通过选择合适的RPH、CPH和RPL、CPL值也可以避免上下桥臂直通。在电路板的布局中，RPH、CPH和RPL、CPL要尽量靠近IPM的引脚。

同时该电机驱动器具有多项关键性的技术参数：

1、报警复位功能

2、细分设置：把步进电机的整部运动细分为若干细分步运动，细分达到 25600

3、失步报警输出功能

4、电机响应频率最高达500KHz以上

5、主频高达80MHz

6、输入电压最高48V

7、上电2秒快速自适应启动控制

8、内置故障诊断、状态指示和自动保护

9、在加减速过程中引入滤波器，使电机的启动及运行更平稳，滤波参数可配置0级至31级脉冲平滑，能增强机器的运转平稳性，减少电机电流对驱动器的内部冲击。

10、模式选择：自测试模式和正常测试模式

11、相电流设置：驱动器的相电流峰值可以根据电机厂商提供的额定电相电流峰值来设置

12、状态指示LED用于指示驱动器实时运行状态，如：正常运行状态，制动运行状态，自测试状态，驱动器发生内部或外部故障等等。

13、具有过流，短路、过载、高低温、过压，欠压，缺相等故障诊断、状态指示及自动保护功能

14、支持串口通讯，支持电机温度测量及电机温度过温保护。

15、支持多种制动方式，制动BRK信号：制动功能即当驱动器报错或停电时，BRK信号发生改变，触发制动，使电机获得额外的锁定力矩。制动方式有短路制动，机械制动等。

16、内置COM通讯功能的驱动器，驱动器内置USB芯片，电脑、手机等可以作为USB主机的设备，可以完成驱动器的参数设定和运行测试。

17、驱动器内置工业级总线通讯芯片。任何带RS485通讯功能的工业设备，可以通过协议直接控制驱动器的运行。可以串联多台驱动器，实现可靠的中到大型驱动器网络的构建。驱动器的RS485总线接口采用RJ45接口，每台驱动器配置有两个RJ45接口，用于连接前后两级节点，接其中任何一个都是等效的。支持带点插板。

18、内置无线通讯模块，可以通过无线连接到驱动器，完成驱动器的参数设定和运行测试。

19、支持多种运行信号，如：单脉冲，双脉冲，QEP，上下限位开关运动等运行信号。

Claims (6)

1.一种基于多模通讯和反馈闭环的电机驱动器，其特征在于：包括DSP模块，通讯模块，电源模块，自测试模块，报警模块；

所述DSP模块包括IO、PWM、SCI及AD，所述DSP模块用于接收控制参数，输出驱动所述直流步进电机的电流信号；

无线和有线通讯接口电路，通过所述接口电路块与终端连接，用于实现所述DSP模块和终端之间的通信，所述接口电路用于反馈和接收参数显示信息；

电源模块，与DSP模块，控制基于直流步进电机控制的闭环控制驱动器安全电压；根据驱动器处理数据，通过通讯模块传输到终端；

DSP模块采用TMS320LF2403A，包括电流检测电路、断电记忆关键数据电路、驱动电路和控制信号接口电路；系统主回路部分采用交-直-交电压源型逆变电路，主要由整流桥、滤波电容及智能功率模块组成；即整流桥通过PC3-PC6与滤波电容的ACL，A1-A3进行对应连接。

2.根据权利要求1所述的基于多模通讯和反馈闭环的电机驱动器，其特征在于电源模块的智能功率模块的5，6引脚与整流桥的PC7和PC8进行连接；采用采样电阻检测电机相电流；DSP输出的IPM控制信号经电平匹配电路后直接送到IPM驱动信号端口。

3.根据权利要求1所述的基于多模通讯和反馈闭环的电机驱动器，其特征在于通讯模块采用L297芯片，通过该芯片的4引脚与驱动信号的A引脚相连，5引脚连接A相和B相的驱动级，6引脚与驱动信号的B相引脚相连；通过该芯片的15脚连接斩波器向其输入基准电压，通过18脚连接步进时钟。

4.根据权利要求1所述的基于多模通讯和反馈闭环的电机驱动器，其特征在于驱动器为非隔离驱动，即DSP的六路PWM输出经过SN74AHC05上拉至5V，再经过一个100W的串联电阻后输入到IPM的驱动信号端口。

5.根据权利要求4所述的基于多模通讯和反馈闭环的电机驱动器，其特征在于RPH、CPH和RPL、CPL构成了死区电路，延缓IGBT的开通；即使控制芯片没有死区产生电路，通过选择RPH、CPH和RPL、CPL值也防止上下桥臂直通。

6.根据权利要求5所述的基于多模通讯和反馈闭环的电机驱动器，其特征在于RPH、CPH和RPL、CPL靠近IPM的引脚。

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