CN215934754U - 一种3d打印步进电机的闭环控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种3D打印步进电机的闭环控制装置，涉及电机控制技术领域。该闭环控制装置包括控制单元、角度检测单元以及驱动单元。角度检测单元包括角度传感器以及磁器件，磁器件用于设置于步进电机的转轴上，角度传感器对位设置在磁器件的一侧，角度传感器与控制单元连接；驱动单元与控制单元连接，驱动单元用于与步进电机连接。角度检测单元将步进电机的转轴的转动角度发送给控制单元，在步进电机的转轴的转动角度出现偏差时，控制单元通过调整控制信号，使得步进电机的转轴的转动角度与预设的转动角度设定值相同。通过上述闭环控制过程，可提高步进电机的控制精度，有效减少步进电机共振、振荡以及丢步等现象的发生。

Description

一种3D打印步进电机的闭环控制装置

技术领域

本实用新型涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种3D打印步进电机的闭环控制装置。

背景技术

3D打印即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。

在3D打印领域，大多数步进电机的驱动控制都是使用开环控制的方法，开环控制没有反馈信号，只按顺序执行，会存在共振、振荡、丢步，定位精度低，难于实现高速等缺点。

实用新型内容

本实用新型实施例提出一种3D打印步进电机的闭环控制装置，旨在解决现有步进电机控制方法存在的控制精度差的问题。

为了解决上述问题，本实用新型实施例提出一种3D打印步进电机的闭环控制装置，所述3D打印步进电机的闭环控制装置包括：

控制单元；

角度检测单元，所述角度检测单元包括角度传感器以及磁器件，所述磁器件用于设置于步进电机的转轴上，所述角度传感器与所述磁器件对应设置，所述角度传感器与所述控制单元电连接；所述角度传感器用于检测所述步进电机的转轴的转动角度，并将所述步进电机的转轴的转动角度发送给所述控制单元；

驱动单元，所述驱动单元与控制单元连接，所述驱动单元用于与所述步进电机连接。

其进一步的技术方案为，所述角度传感器的中心、所述磁器件的中心以及所述步进电机的转轴的中心对齐。

其进一步的技术方案为，所述步进电机包括多个线圈；所述驱动单元包括多个电机驱动芯片，所述驱动单元的多个电机驱动芯片分别与所述控制单元和所述步进电机的多个线圈电连接。

其进一步的技术方案为，所述电机驱动芯片包括两输入引脚以及两输出引脚，所述电机驱动芯片的两输入引脚均与所述控制单元连接，所述电机驱动芯片的两输出引脚分别与所述步进电机的线圈的正极以及负极连接。

其进一步的技术方案为，所述电机驱动芯片包括参考电压引脚，所述参考电压引脚与所述控制单元连接。

其进一步的技术方案为，所述参考电压引脚通过限流电阻与所述控制单元连接。

其进一步的技术方案为，所述参考电压引脚通过滤波电容接地。

其进一步的技术方案为，所述控制单元通过SPI总线与所述角度传感器连接。

其进一步的技术方案为，还包括DC-DC变换器以及稳压器；所述DC-DC变换器用于与电压源连接，所述稳压器分别与所述DC-DC变换器以及所述控制单元连接。

其进一步的技术方案为，还包括复位电路、指示灯、晶振以及调试接口，所述复位电路、指示灯、晶振以及调试接口均与所述控制单元连接。

与现有技术相比，本实用新型实施例所能达到的技术效果包括：

通过应用本实用新型实施例提出的3D打印步进电机的闭环控制装置，由角度检测单元检测步进电机的转轴的转动角度，并将步进电机的转轴的转动角度发送给控制单元；在步进电机的转轴的转动角度与预设的转动角度设定值不相同时，控制单元通过调整向驱动单元发送的控制信号，使得步进电机的转轴的转动角度与预设的转动角度设定值相同。通过上述闭环控制过程，可提高步进电机的控制精度，有效减少步进电机共振、振荡以及丢步等现象的发生。在控制精度提高后，还能够提高步进电机的效率，改善步进电机的发热问题；同时步进电机可以精准、有效地被加速和减速，易于实现高速转动。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提出的一种3D打印步进电机的闭环控制装置的原理框图；

图2为本实用新型实施例提出的一种3D打印步进电机的闭环控制装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提出的一种3D打印步进电机的闭环控制装置的电路示意图；

图4为本实用新型实施例提出的一种3D打印步进电机的闭环控制装置的另一原理框图。

附图标记

控制单元10、角度检测单元20、角度传感器21、磁器件22、驱动单元30、电机驱动芯片31、SPI总线40、DC-DC变换器50、稳压器60、复位电路70、指示灯80、晶振90、调试接口100、步进电机110、转轴111、A相线圈112以及B相线圈113。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本实用新型实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本实用新型实施例。如在本实用新型实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

参加图1-2，图1为本实用新型实施例提出的一种3D打印步进电机的闭环控制装置的原理框图，图2为本实用新型实施例提出的一种3D打印步进电机的闭环控制装置的结构示意图。由图可知，该3D打印步进电机的闭环控制装置包括控制单元10、角度检测单元20以及驱动单元30。各部件的具体介绍如下：

控制单元10可具体为MCU等具备控制功能的芯片。驱动单元30与控制单元10连接，并且驱动单元30与步进电机110连接。驱动单元30接收控制单元10发送的控制信号，并根据该控制信号驱动步进电机110运转。

角度检测单元20包括角度传感器21以及磁器件22。磁器件22用于设置于步进电机110的转轴111上，角度传感器21对位设置在磁器件22的一侧。角度传感器21用于检测步进电机110的转轴111的转动角度。具体地，角度传感器21通过检测磁器件22产生的外界磁场方向和自身内部感应单元的参考层磁化方向之间的夹角来感应电机的转动角度。角度传感器21与控制单元10连接，并将步进电机110的转轴111的转动角度发送给控制单元10。

其中，当步进电机110的转轴的转动角度与预设的转动角度设定值不相同时，控制单元10可通过调整向驱动单元30发送控制信号，以使步进电机110转轴的转动角度与预设的转动角度设定值相同。

在本实用新型实施例中，角度传感器21可以使用基于霍尔原理的磁性角度传感器，例如型号为MT6816的磁性角度传感器，也可以使用基于巨磁阻原理的磁性角度传感器，例如型号为TLE5012B的磁性角度传感器。磁器件22可具体为磁铁。

在接收到角度传感器21发送的步进电机110的转轴111的转动角度后，控制单元10判断步进电机110的转轴111的转动角度是否与预设的转动角度设定值(由用户设定)相同。若步进电机110的转轴111的转动角度与预设的转动角度设定值不相同，控制单元10通过调整向驱动单元30发送的控制信号，以使步进电机110的转轴111的转动角度与预设的转动角度设定值相同。

通过应用本实用新型实施例提出的3D打印步进电机的闭环控制装置，由角度检测单元20检测步进电机110的转轴111的转动角度，并将步进电机110的转轴111的转动角度发送给控制单元10，在步进电机110的转轴111的转动角度与预设的转动角度设定值不相同时，控制单元10通过调整向驱动单元30发送的控制信号，使得步进电机110的转轴111的转动角度与预设的转动角度设定值相同。通过上述闭环控制过程，可提高步进电机110的控制精度，有效减少步进电机110共振、振荡以及丢步等现象的发生。在控制精度提高后，还能够提高步进电机110的效率，改善步进电机110的发热问题；同时步进电机110可以精准、有效地被加速和减速，易于实现高速转动。

参见图2，在一实施例中，角度传感器21的中心、磁器件22的中心以及步进电机110的转轴111的中心对齐。通常而言，角度传感器21的感应区域位于其中心，因此，在安装时，将角度传感器21的中心、磁器件22的中心以及步进电机110的转轴111的中心对齐，能够有效减少误差。同时为了减少由安装或者生产带来的误差，如PCB安装、芯片贴片、磁铁装配以及转轴111径向跳动等因素导致的额外系统误差，可选择直径较大(磁器件22的直径可大于转轴111的直径)的磁器件22。

参见图3，在一实施例中，步进电机110包括多个线圈，例如，在本实施例中，步进电机110的多个线圈分别为A相线圈112以及B相线圈113。相应地，驱动单元30包括多个电机驱动芯片31，多个电机驱动芯片31均与控制单元10连接，多个电机驱动芯片31分别与步进电机110的多个线圈连接。即，每一电机驱动芯片31用于与一线圈连接。具体地，在一实施例中，电机驱动芯片31的型号为A4950。

进一步地，电机驱动芯片31包括两输入引脚IN以及两输出引脚OUT，电机驱动芯片31的两输入引脚IN均与控制单元10连接，具体地，两输入引脚IN分别与控制单元10的I/O引脚连接。电机驱动芯片31的两输出引脚OUT分别与步进电机110的线圈的正极以及负极连接。

在本实施例中，控制单元10向驱动单元30发送的控制信号具体为脉冲信号。具体地，控制单元10通过向电机驱动芯片31的输入引脚IN发送脉冲信号来控制步进电机110的转动，通过调整脉冲信号进而改变步进电机110的运行状态。

进一步地，电机驱动芯片31包括参考电压引脚VREF，参考电压引脚VREF与控制单元10连接(具体地，参考电压引脚VREF连接到控制单元10的I/O引脚)。控制单元10通过向电机驱动芯片31的参考电压引脚VREF输入PWM信号来微调电机驱动芯片31的驱动能力。

进一步地，参考电压引脚VREF通过限流电阻R与控制单元10连接。限流电阻R能够起到保护控制单元10的作用。

进一步地，参考电压引脚VREF通过滤波电容C接地。滤波电容C能够滤除电路中的杂波，提高电路的稳定性。

进一步地，控制单元10通过SPI总线40与角度传感器21连接。SPI(SerialPeripheral Interface，串行外设接口)总线，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，通过SPI总线40能够准确高效地传输数据。

参见图4，在本实用新型的一实施例中，该3D打印步进电机的闭环控制装置还包括DC-DC变换器50、稳压器60、复位电路70、指示灯80、晶振90以及调试接口100。

DC-DC变换器50用于与电压源连接，DC-DC变换器50起到电压转换作用，即将电压源提供的直流电压转换为控制单元10所需的直流电压。稳压器60分别与DC-DC变换器50以及控制单元10连接。稳压器60起到稳定电压的作用，从而避免电压波动对控制单元10造成的影响。具体地，稳压器60具体为LDO(low dropoutregulator，低压差线性稳压器60)。

进一步地，复位电路70与控制单元10连接。复位电路70用于使控制单元10恢复到初始状态。

进一步地，指示灯80与控制单元10连接。指示灯80用于指示控制单元10的工作状态。

进一步地，晶振90与控制单元10连接。晶振90是指晶体振荡器，晶振90用于为控制单元10产生时钟基准信号。

进一步地，调试接口100与控制单元10连接。用户可通过调试接口100来对控制单元10进行调试。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，尚且本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

以上所述，为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种3D打印步进电机的闭环控制装置，其特征在于，包括：

控制单元(10)；

角度检测单元(20)，所述角度检测单元(20)包括角度传感器(21)以及磁器件(22)，所述磁器件(22)设置于步进电机(110)的转轴(111)上，所述角度传感器(21)与所述磁器件(22)对应设置，所述角度传感器(21)与所述控制单元(10)电连接；所述角度传感器(21)用于检测所述步进电机(110)的转轴(111)的转动角度，并将所述步进电机(110)的转轴(111)的转动角度发送给所述控制单元(10)；

驱动单元(30)，所述驱动单元(30)与控制单元(10)连接，所述驱动单元(30)与所述步进电机(110)连接，所述驱动单元(30)接收所述控制单元(10)发送的控制信号，并根据所述控制信号驱动所述步进电机(110)运转。

2.根据权利要求1所述的3D打印步进电机的闭环控制装置，其特征在于，所述角度传感器(21)的中心、所述磁器件(22)的中心以及所述步进电机(110)的转轴(111)的中心对齐。

3.根据权利要求1所述的3D打印步进电机的闭环控制装置，其特征在于，所述步进电机(110)包括多个线圈；所述驱动单元(30)包括多个电机驱动芯片(31)，所述驱动单元(30)的多个电机驱动芯片(31)分别与所述控制单元(10)和与所述步进电机(110)的多个线圈电连接。

4.根据权利要求3所述的3D打印步进电机的闭环控制装置，其特征在于，所述电机驱动芯片(31)包括两输入引脚以及两输出引脚，所述电机驱动芯片(31)的两输入引脚均与所述控制单元(10)连接，所述电机驱动芯片(31)的两输出引脚分别与所述步进电机(110)的线圈的正极以及负极连接。

5.根据权利要求3所述的3D打印步进电机的闭环控制装置，其特征在于，所述电机驱动芯片(31)包括参考电压引脚，所述参考电压引脚与所述控制单元(10)连接。

6.根据权利要求5所述的3D打印步进电机的闭环控制装置，其特征在于，所述参考电压引脚通过限流电阻与所述控制单元(10)连接。

7.根据权利要求5所述的3D打印步进电机的闭环控制装置，其特征在于，所述参考电压引脚通过滤波电容接地。

8.根据权利要求1所述的3D打印步进电机的闭环控制装置，其特征在于，所述控制单元(10)通过SPI总线(40)与所述角度传感器(21)连接。

9.根据权利要求1所述的3D打印步进电机的闭环控制装置，其特征在于，还包括DC-DC变换器(50)以及稳压器(60)；所述DC-DC变换器(50)用于与电压源连接，所述稳压器(60)分别与所述DC-DC变换器(50)以及所述控制单元(10)连接。

10.根据权利要求1所述的3D打印步进电机的闭环控制装置，其特征在于，还包括复位电路(70)、指示灯(80)、晶振(90)以及调试接口(100)，所述复位电路(70)、指示灯(80)、晶振(90)以及调试接口(100)均与所述控制单元(10)连接。

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