CN220857951U - 一种多路步进电机有线控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多路步进电机有线控制系统，由就地驱动器和远程控制器组成，就地驱动器的通信接口和远程控制器的通信接口之间通过线缆进行连接；就地驱动器包括双路冗余电源电路、无源信号输入电路、故障指示电路、步进电机驱动电路、电压检测电路、有线通信电路、电源转换电路、微控制器及其最小系统电路；远程控制器电路组成包括：按键检测电路、显示屏电路、LED指示电路、有线通信电路、电源转换电路、微控制器及其最小系统电路。本实用新型通过将多路步进电机驱动和传统控制器集成为就地驱动器，减少了控制系统总组件的数量，简化了控制系统组件之间的连接，提高了控制系统的集成度。

Description

一种多路步进电机有线控制系统

技术领域

本发明涉及步进电机控制技术领域，特别的是在特殊工况下，对多路步进电机进行有线控制。

背景技术

步进电机现广泛应用于精密仪器、纺织、安防、工业控制系统、办公自动化、机器人等需要精确定位的要求的领域中。在实际使用中，常会涉及到需要控制多个步进电机或多个步进电机相互协作的工况，常规的方案是采用独立的步进电机驱动器分别驱动步进电机，各个驱动器再分别连接控制器，由控制器来控制步进电机的运行。

采用这种方案组成的系统具有各个组件之间连接复杂、系统包含的组件数量多、对于复杂的控制需要进行编程或者采用专业运动控制卡、使用和维护成本高的缺点。在一些特殊的工业环境下，要求人员可以通过有线控制的方式，远程地控制步进电机运行，如采用上述方案此要求实现较为困难，便利性差。

发明内容

针对现有实施方案存在的上述问题，本发明提供了一种多路步进电机有线控制系统。该系统将常规方案中的多路驱动器和控制器集成在一起，减少了所需组件的数量，简化了组件之间的连接；还具有双路冗余电源、无源信号输入和电源电压检测等功能，提高了系统的可靠性、稳定性和便利性；该系统还可通过有线控制的方式，远程地控制步进电机运行，实现多步进电机的协作。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多路步进电机有线控制系统，由就地驱动器和远程控制器组成，就地驱动器的通信接口和远程控制器的通信接口之间通过线缆进行连接；这种通过线缆进行有线通信的方式，可以实现所需数据在两者之间的双向传输，并保障数据传输的稳定性、可靠性。

就地驱动器包括双路冗余电源电路、无源信号输入电路、故障指示电路、步进电机驱动电路、电压检测电路、有线通信电路、电源转换电路、微控制器及其最小系统电路；双路冗余电源电路提供两路冗余电源输入，再通过电源转换电路将输入的电源电压转换成各个电路所需的电压，并为其供电。无源信号输入电路、故障指示电路和微控制器的通用输入输出(GPIO)引脚相连接，电压检测电路和微控制器的模数转换(ADC)引脚相连接，步进电机驱动电路和微控制器的SPI引脚相连接，有线通信电路和微控制器的有线通信引脚相连接。

远程控制器电路组成包括：按键检测电路、显示屏电路、LED指示电路、有线通信电路、电源转换电路、微控制器及其最小系统电路；远程控制器由电池进行供电，电源转换电路将电池的电源电压转换成各个电路所需的电压，并为其供电。按键检测电路、LED指示电路和微控制器的通用输入输出(GPIO)引脚相连接，显示屏电路和微控制器的IIC接口相连接，有线通信电路和微控制器的有线通信引脚相连接。

所述的双路冗余电源电路，可为就地驱动器提供带优先级控制的双路冗余电源，保障就地驱动器电源的可靠性与稳定性。

进一步地，该双路冗余电源电路可支持任意一路单电源(最高支持36V母线电压)为就地驱动器供电，也可支持冗余电源为就地驱动器供电；当作为冗余电源为就地驱动器供电时，默认主电源优先，主电源异常失电时，自动切换另一路备用电源为就地驱动器供电；该双路冗余电源电路还具有反接保护、短路保护和上电缓启动保护功能，其中的上电缓启动保护功能，可抑制就地驱动器上电时产生的冲击电流。

所述的无源信号输入电路，支持4路无源开关量输入，可为就地驱动器提供控制或触发信号，以供控制系统进行处理和决策。

进一步地，该无源信号输入电路，通过光耦隔离的方式使输入的开关量信号与就地驱动器之间实现电气隔离，提高电路的抗干扰能力，也增强了控制系统电路的稳定性。

所述的故障指示电路，当就地驱动器发生故障时，故障指示电路就会进行故障提示，便于操作或维修人员及时检查和维修。

进一步地，该故障指示电路，可通过声光提示的方式进行故障提示。当故障发生时，就地驱动器上的多个LED灯会根据故障类型给出不同的故障提示，内置蜂鸣器也会进行鸣叫提示。

所述的步进电机驱动电路，可同时驱动3路两相式步进电机，可以精确控制步进电机的运动，提高步进电机运行效率，保障步进电机可靠运行。

进一步地，该步进电机驱动电路可驱动外置的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，以支持额定电流1A至8A电流的步进电机；最高支持256细分的正弦波来驱动步进电机，实现步进电机高精度控制；采用恒流斩波控制技术，可以减少电流纹波和电机运行时的振动，提高电机运行效率；也支持过流、过温和失压保护，保障电机的可靠运行。

所述地电压检测电路，可检测就地驱动器输入电源电压的变化，为系统提供过压和欠压保护。在电池供电的应用中，也可提供电量监控的功能。

进一步地，该电压检测电路通过电阻分压的方式获取电源电压，再经过一级运放作为电压跟随器，通过微控制器的模数转换得到准确的电源电压值。

所述的有线通信电路，可通过现场总线的方式建立就地驱动器和远程控制器之间的数字通讯，这种方式可以便于控制系统的拓展和分散控制，同时也保障了数据传输的有效性和稳定性。

所述的电源转换电路，可以将输入电源电压转换为控制系统所需的各个等级的电压，以适应不同的电路要求，提供稳定的电源输出。

所述的微控制器及其最小系统电路，由时钟电路、复位电路、烧录接口和电源组成，可以保障微控制器(MCU)稳定地运行。

进一步地，微控制器可以实现逻辑控制、数据处理和通信控制；在就地驱动器中，其内置了多种步进电机控制策略和启停曲线、输入信号检测和故障处理，可以保障步进电机按照指定的程序进行工作。

在远程控制器中，其可以对步进电机进行协同控制和设定，控制步进电机的启停和获得控制系统状态。

所述的按键检测电路，通过电阻和电容进行硬件消抖，结合软件消抖的方式，可以防止按键因机械抖动造成的误判断，实现了按键的单击、双击和长按功能。

所述的显示屏电路，通过驱动一个液晶显示屏，可以显示控制系统实际所需的各类信息，方便操作人员对控制系统进行设置和控制。

所述的LED指示电路，通过驱动一个三色LED灯，来指示控制系统的状态。

本发明的有益技术效果：

本发明的一种多路步进电机有线控制系统，通过将多路步进电机驱动和传统控制器集成为就地驱动器的技术手段，实现了减少了控制系统总组件的数量，简化了控制系统组件之间的连接，提高了控制系统的集成度的技术效果；通过在就地驱动器中增加双路冗余电源、无源信号输入、电源电压检测等电路功能的技术手段，实现了提高控制系统稳定性、可靠性和便利性的技术效果；通过增加远程控制器，并可与就地驱动器进行有线通信的技术手段，实现了在特殊工况下对多路步进电机进行协同控制和设定，控制步进电机的启停，并可获得控制系统状态的技术效果。另外，本控制系统的优势还在于可以便利的应用于各类需要多路电机协同控制的领域或有特殊工业要求的有线控制领域，详见实施例。

附图说明

图1为双路冗余电源电路图。

图2为无源信号输入电路图。

图3为电压检测电路图。

图4为步进电机驱动电路图。

图5为微控制器及其最小电路图。

图6为就地驱动器电路框图。

图7为远程控制器电路框图。

图8为远程控制器实物图。

图9为有线控制系统组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见图9，本发明提供了一种多路步进电机有线控制系统，包括就地驱动器和远程控制，两者通过通信线缆相连接。控制系统中最少包含一个远程控制器和一个就地驱动器，一个就地驱动器可以驱动3路步进电机；根据实际工况的需要，可在控制系统中增加多个就地驱动器，从而使得一个远程控制器能控制多个就地驱动器，这种设计方式为控制系统地拓展提供了便利条件；就地驱动器和远程控制器之间通过通讯线缆相连接，采用现场总线的网络结构，可便于控制系统的拓展和分散控制，也保障了数据传输的有效性和稳定性。

参见图6，就地驱动器电路组成包括：双路冗余电源电路(图1)、无源信号输入电路(图2)、故障指示电路、步进电机驱动电路(图4)、电压检测电路(图3)、有线通信电路、电源转换电路、微控制器及其最小系统电路(图5)。

所述双路冗余电源电路，由两个或操作控制器U1,U2作为控制芯片，该控制器可驱动两个背靠背结构的MOSFET(金属氧化物场效应管)Q1、Q2和Q3、Q4，背靠背的结构可以防止母线电流的倒灌，防止因步进电机制动，导致电流倒灌入电源的情况；或操作控制器U1,U2具有使能控制端，可进行电源的优先级控制；或操作控制器U1,U2还会监控Q1、Q2和Q3、Q4之间的漏源电压，当电压过高或电压反向时，会关闭MOSFET以保护电路；电阻R2电容C3和电阻R7电容C7，控制Q1、Q2和Q3、Q4的开通电压斜率，起到上电缓启动的功能，可抑制就地驱动器上电时产生的冲击电流；电阻R1电容C1和电阻R5电容C6，并联在Q1、Q2和Q3、Q4的漏源极两端，作为吸收电路，可以抑制MOSFET开通和关断期间的电压尖峰，起到保护MOSFET的作用；瞬态抑制二极管D2电阻R4和瞬态抑制二极管D4电阻R9，具有反接保护、浪涌电压保护作用。

所述无源信号输入电路，由一个交流光耦OPT1实现输入的开关量信号与就地驱动器之间的电气隔离，提高电路的抗干扰能力，也增强了控制系统电路的稳定性。其中，电阻R14可以限制流过光耦发光二极管的电流，起到保护光耦的作用；电阻R13可以将光耦偏置在线性区，使其饱和导通，同时也具有电平转换的作用；使用交流光耦OPT1，使得外部信号输入无固定方向，方便接线使用。

所述步进电机驱动电路，由步进电机控制器U9作为控制芯片，该控制器可驱动可控制8个MOSFET，Q5A、Q6A、Q7A、Q8A为PMOS，Q5B、Q6B、Q7B、Q8B为NMOS，组成两个H桥电路，用于控制步进电机的运动，支持额定电流1A至8A电流的步进电机；电阻R38和电阻R41，作为电流采样电阻，可采集流过H桥的电流大小，实现恒流斩波控制，减少电流纹波和电机运行时的振动，提高电机运行效率；电阻R39和电阻R40，作为运放输入匹配电阻，可以减少运放电路的误差；电容C34、C35、C36、C37、C38具有旁路、储能作用，保障该电路电源的稳定性；该控制器最高支持256细分的正弦波来驱动步进电机，实现步进电机高精度控制；该控制器支持过流、过温和失压保护，保障电机的可靠运行。

所述电压检测电路，先由电阻R10、R12进行分压，将电源电压按比例缩小，其中电阻R12并联电容C10进行滤波，减少因电源波动对电压检测的影响；后级的运放跟随器U3，具有阻抗变换作用；电阻R11和电容C11，具有滤波和驱动容性负载的作用；该电路可检测就地驱动器输入电源电压的变化，为系统提供过压和欠压保护。在电池供电的应用中，也可提供电量监控的功能。

所述微控制器及其最小系统电路由时钟电路、复位电路、烧录接口和电源组成，可以保障MCU(微控制器)稳定地运行。电容C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10具有旁路、滤波作用，可为该电路提供稳定可靠地电源；P1、D1、D2、D3为烧录接口，其中D1、D2、D3为瞬态抑制二极管；电容C1和电阻R3为阻容复位电路；C2、C3、Y1、R2为时钟电路；U1A、U1B为微控制器芯片。微控制器可以实现逻辑控制、数据处理和通信控制；在就地驱动器中，其内置了多种步进电机控制策略和启停曲线、输入信号检测和故障处理功能，可以保障步进电机按照指定的程序进行工作。

参见图7，远程控制器电路组成包括：按键检测电路、显示屏电路、LED指示电路、有线通信电路、电源转换电路、微控制器及其最小系统电路。

所述微控制器及其最小系统电路，在远程控制器中，微控制器可以对多步进电机进行协同控制和设定，控制步进电机的启停和获得控制系统状态；具有心跳和断线检测功能，保障控制系统安全运行。

参见图8，远程控制器包括，停止按键1，启动按键2，三色LED指示灯3，功能按键4、5、6、7，液晶显示屏幕8，通信接口9。

使用本发明一种多路步进电机有线控制系统，需先将步进电机和就地驱动器相连接，再将就地驱动器和远程控制器相连接，并为就地驱动器提供电源。然后根据现场工况，在远程控制器上分别对就地驱动器进行设置，可设置各个步进电机的协同关系，如步进电机运行顺序，运行时间、切换触发条件、急停条件等，无需复杂的编程即可完成对步进电机的协同控制；可设置开启心跳检测和断线检测，在系统断线后的立即执行设定的动作。设置完成后，可以通过远程控制器启动、暂停和复位该控制系统中的步进电机。

实施例2

其他与实施例1相同，区别在于，在不需远程控制的工况下，在初次通过远程控制器设置完成后，可将所用就地驱动器设置为自动模式，然后将远程控制器移除该系统，重新上电后，该系统可按照之前的设定自动运行，无需远程控制器参与。

Claims (7)

1.一种多路步进电机有线控制系统，其特征在于：由就地驱动器和远程控制器组成，就地驱动器的通信接口和远程控制器的通信接口之间通过线缆进行连接；

就地驱动器包括双路冗余电源电路、无源信号输入电路、故障指示电路、步进电机驱动电路、电压检测电路、有线通信电路、电源转换电路、微控制器及其最小系统电路；双路冗余电源电路提供两路冗余电源输入，再通过电源转换电路将输入的电源电压转换成各个电路所需的电压，并为其供电；无源信号输入电路、故障指示电路和微控制器的通用输入输出引脚相连接，电压检测电路和微控制器的模数转换引脚相连接，步进电机驱动电路和微控制器的SPI引脚相连接，有线通信电路和微控制器的有线通信引脚相连接；

远程控制器电路组成包括：按键检测电路、显示屏电路、LED指示电路、有线通信电路、电源转换电路、微控制器及其最小系统电路；远程控制器由电池进行供电，电源转换电路将电池的电源电压转换成各个电路所需的电压，并为其供电；按键检测电路、LED指示电路和微控制器的通用输入输出引脚相连接，显示屏电路和微控制器的IIC接口相连接，有线通信电路和微控制器的有线通信引脚相连接。

2.如权利要求1所述的多路步进电机有线控制系统，其特征在于：所述的双路冗余电源电路可支持任意一路单电源为就地驱动器供电，也可支持冗余电源为就地驱动器供电；当作为冗余电源为就地驱动器供电时，默认主电源优先，主电源异常失电时，自动切换另一路备用电源为就地驱动器供电。

3.如权利要求1所述的多路步进电机有线控制系统，其特征在于：无源信号输入电路，通过光耦隔离的方式使输入的开关量信号与就地驱动器之间实现电气隔离。

4.如权利要求1所述的多路步进电机有线控制系统，其特征在于：步进电机驱动电路可驱动外置的金属氧化物半导体场效应晶体管，以支持额定电流1A至8A电流的步进电机；最高支持256细分的正弦波来驱动步进电机，实现步进电机高精度控制。

5.如权利要求1所述的多路步进电机有线控制系统，其特征在于：电压检测电路通过电阻分压的方式获取电源电压。

6.如权利要求1所述的多路步进电机有线控制系统，其特征在于：所述的有线通信电路，可通过现场总线的方式建立就地驱动器和远程控制器之间的数字通讯。

7.如权利要求1所述的多路步进电机有线控制系统，其特征在于：所述的微控制器及其最小系统电路，由时钟电路、复位电路、烧录接口和电源组成，微控制器可以实现逻辑控制、数据处理和通信控制；在就地驱动器中，其内置了多种步进电机控制策略和启停曲线、输入信号检测和故障处理。