一种步进电机控制器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种步进电机控制器及其控制方法，涉及步进电机控制技术领域，步进电机控制器包括电源隔离模块，通讯与命令处理模块，数字控制模块，用于对所述上位机的命令进行处理后控制步进电机动作，信号隔离模块，功率放大模块。本发明专利技术的有益效果：通讯接口丰富，支持RS232、RS485/CAN、I2C、SPI和PULSE等控制接口，上位机可任选其中一种接口进行连接控制；实现多台远程控制，一台上位机可通过RS485/CAN总线串行连接多台步进电机控制器，并对其中任意一台步进电机控制器进行实时控制。通过数字控制模块实现自动控制电机匀加速匀减速运动，使得与步进电机连接的机械系统更加平滑，减小振动冲击。

【技术实现步骤摘要】
一种步进电机控制器的控制方法
本专利技术涉及一种电机控制
，特别涉及一种步进电机控制器的控制方法。
技术介绍
步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制元件，在工业生产中，步进电机被广泛用于各种精密运动机构中，完成系统的位置控制功能。步进电机运行过程中面临的主要问题有振动、过热和失步等，需要通过控制器采用细分、电流衰减、闭环控制等技术手段来解决。对步进电机的控制和驱动，目前大多采用单片机结合专用驱动芯片的方式，或者采用DSP芯片结合专用驱动芯片方式，或者采用FPGA结合专用驱动芯片的方式。公告号为03129924.5，名称为“全数字细分型高精度步进电机控制器”的专利技术专利，使用美国TI公司的DSP作为主控芯片，配合使用大量的滤波、模数转换等IC，很明显方案成本太高不适合普及使用。另外，该专利技术专利的通讯单元上也没有设计相关的配置接口，无法实现工业级的多地址串联控制。申请号为201010280597.1，名称为“步进电机驱动器”的专利技术专利，使用单片机作为主控芯片，配合使用美国Allegro公司的A3977电机驱动芯片，同样具有方案成本高的缺陷，而且没有电流自动衰减、过热保护、闭环控制等功能。公告号为00253539，名称为“小型步进电机控制器”的技术专利，使用单片机作为主控芯片，具有网络通讯接口，但是控制方案太过于简单，缺乏闭环控制、电流衰减、过热保护等功能；电机驱动电路采用光耦、MOSFET、串联电阻实现，驱动能力较弱，控制器也没有提供动态参数配置接口。申请号为200920213892.8的“一种步进电机控制器”技术专利，采用FPGA作为主控芯片，配合使用比较器驱动步进电机，不难看出该方案具有成本高，灵活性差，驱动能力小等缺陷，而且该方案采用按键方式控制，没有网络通讯接口及配置接口，不适合工业级用途。综上所述，有必要设计一种低成本、不依赖进口驱动芯片、具备多种通讯接口、可动态实时配置、具备电流闭环控制、位置闭环控制、可存储执行用户自定义程序等功能的细分步进电机控制器，以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术是为了克服现有技术的不足，满足各种工业应用需求，提出一种步进电机控制器的控制方法，具备丰富的通讯接口，体积小和成本低，能实现步进电机自动匀加速或匀减速的功能。本专利技术通过以下技术方案解决上述问题：本专利技术提供了一种步进电机控制器，包括电源隔离模块，用于隔离电源和各个模块；通讯与命令处理模块，包括选择器、通讯接口和命令处理模块，通过通讯接口实现上位机与数字控制模块的通信，并对上位机的命令进行配置处理；数字控制模块，包括EEPROM和MCU，用于对上位机的命令进行处理后控制步进电机动作；信号隔离模块，用于消除所述通讯接口信号、电源功率电路和步进电机对所述数字控制模块的干扰；功率放大模块，用于实现对所述数字控制模块输出的调制信号进行功率放大，输出设定的电流值到电机绕组。进一步，所述功率放大模块包括输入电路、电流反馈电路和H桥电路，所述输入电路与H桥电路连接，所述H桥电路与电流反馈电路连接。进一步，所述功率放大模块包括输入电路、电流反馈电路和H桥电路，所述H桥电路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、第一快速二极管、第二快速二极管、第三快速二极管、第四快速二极管，所述第一三极管和第二三极管为NPN型晶体管，所述第三三极管和第四三极管为PNP型晶体管，所述第一三极管的集电极分别与第三快速二极管的阴极、第二快速二极管的阴极和第二三极管的集电极连接并与电源正极连接，所述第一三极管的发射极分别与第三快速二极管的阳极、第三三极管的发射极和第四快速二极管的阴极连接，所述第二三极管的发射极分别与第二快速二极管的阳极、第四三极管的发射极和第一快速二极管的阴极连接，所述第三三极管的集电极与第四三极管的集电极之间连接步进电机的一相绕组。进一步，H桥电路包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第一快速二极管、第二快速二极管、第三快速二极管和第四快速二极管，所述第一NMOS管的漏极连接电源正极，所述第一NMOS管栅极连接H桥驱动电路的输出端，所述第一NMOS管源极连接第三快速二极管的阳极，所述第二NMOS管的漏极连接电源正极，所述第二NMOS管的栅极连接H桥驱动电路的输出端，所述第二NMOS管源极连接第二快速二极管的阳极，所述第三NMOS管的漏极分别与第一NMOS管的源极和第四快速二极管的阴极连接，所述第三NMOS管栅极连接H桥驱动电路输出端，所述第四NMOS管漏极分别与第二NMOS管的源极和第一快速二极管的阴极连接，所述第四NMOS管栅极连接H桥驱动电路输出端，所述第四NMOS管的源极与第一NMOS管的源极之间连接步进电机的一相绕组。进一步，所述通讯接口包括RS232、RS485/CAN、RS422、I2C、SPI、PULSE、两个紧急停车输入接口和四个通用输入输出口形成开环模式下的上下限位控制及闭环模式下的编码器位置反馈输入，所述上位机实时配置每个端口方向和电平值。本专利技术还包括一种步进电机控制器的控制方法，包括以下步骤：步骤一，步进电机控制器上电后检测通讯接口的选择设置；步骤二，根据所述通讯接口的设置进行初始化变量和初始I/O口；步骤三，等待上位机发出配置命令或步进命令，发出配置命令则执行步骤四，发出步进命令则执行步骤五；步骤四，数字控制模块进入配置子程序，对控制参数进行修改并写入EEPROM；步骤五，数字控制模块进入步进命令，配置PWM参数；步骤六，根据所述配置PWM参数，数字控制模块检测步进电机当前的位置信息，执行动态实时配置的匀加速或匀减速控制步骤。进一步，所述步骤四中的配置命令包括用户自定义指令程序，所述用户自定义指令程序通过所述通讯与命令处理模块写入EEPROM中，所述步进电机控制器在开机时自动选择自动执行用户自定义指令程序，实现步进电机控制器脱离上位机自动执行用户自定义指令程序，具体步骤包括：S401：所述步进电机控制器在开机时自动选择一种接口与上位机通讯；S402：用户通过自定义指令集中的命令向所述步进电机控制器写入自定义指令程序；S403：所述步进电机控制器将用户自定义指令程序存储在EEPROM中；S404：所述步进电机控制器再次开机，自动选择执行用户自定义指令程序模式；S405：所述步进电机控制器自动执行用户自定义指令程序，所述用户自定义程序包含步进电机控制器配置参数、IO端口读写和步进电机运动控制程序。进一步，所述步骤六中的动态实时配置的匀加速或匀减速的控制过程，具体步骤：S601：设定步进电机的运动速度vmax，将步进电机的每个步进位置或细分位置设为速度参考点，设转动第一步时的速度为v0，线性加速比率为a，则第n步时的速度vn＝a(n-1)*v0；S602：设定步进电机的步进数steps，则从0加速到vmax所需要的步进数为stepsmax，stepsmax＝loga(vmax/v0)+1；S603：判断所述速度增大所需要的步进数stepsmax与设定步进电机步进数steps的大小，若stepsmax小于steps，则当stepsmax＝0.5*steps，初始化计数器Vcnt；当stepsmax大于steps，则初始化计数器Vcnt；S604本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种步进电机控制器，其特征在于：包括电源隔离模块，用于隔离电源和各个功能模块；通讯与命令处理模块，包括选择器、通讯接口和命令处理模块，通过通讯接口实现上位机与数字控制模块的通信，并对上位机的命令进行配置处理；数字控制模块，包括EEPROM和MCU，用于对所述上位机的命令进行处理后控制步进电机动作；信号隔离模块，用于消除所述通讯接口信号、电源功率电路和步进电机对所述数字控制模块的干扰；功率放大模块，用于实现对所述数字控制模块输出的调制信号进行功率放大，输出设定的电流值到电机绕组。

【技术特征摘要】
1.步进电机控制器的控制方法，所述步进电机控制器包括电源隔离模块，用于隔离电源和各个功能模块；通讯与命令处理模块，包括选择器、通讯接口和命令处理模块，通过通讯接口实现上位机与数字控制模块的通信，并对上位机的命令进行配置处理；数字控制模块，包括EEPROM和MCU，用于对所述上位机的命令进行处理后控制步进电机动作；信号隔离模块，用于消除所述通讯接口信号、电源功率电路和步进电机对所述数字控制模块的干扰；功率放大模块，用于实现对所述数字控制模块输出的调制信号进行功率放大，输出设定的电流值到电机绕组，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，步进电机控制器上电后检测通讯接口的选择设置；步骤二，根据所述通讯接口的设置进行初始化变量和初始I/O口；步骤三，等待上位机发出配置命令或步进命令，发出配置命令则执行步骤四，发出步进命令则执行步骤五；步骤四，数字控制模块进入配置子程序，对控制参数进行修改并写入EEPROM；步骤五，数字控制模块进入步进命令，配置PWM参数；步骤六，根据所述配置PWM参数，数字控制模块检测步进电机当前的位置信息，执行动态实时配置的匀加速或匀减速控制步骤，具体步骤：S601：设定步进电机的运动速度vmax，将步进电机的每个步进位置或细分位置设为速度参考点，设转动第一步时的速度为v0，线性加速比率为a，则第n步时的速度vn＝a(n-1)*v0；S602：设定步进电机的步进数steps，则从0加速到vmax所需要的步进数为stepsmax，stepsmax＝loga(vmax/v0)+1；S603：判断所述速度增大所需要的步进数stepsmax与设定步进电机步进数steps的大小，若stepsmax小于steps，则当stepsmax＝0.5*steps，初始化计数器vcnt；当stepsmax大于steps，则初始化计数器vcnt；S604：初始化计数器vcnt后，速度vcur清零，进入匀加速阶段，使其在每次步进运动后vcur1＝vcur0*a，其中，速度vcur1为步进电机运动后的速度，vcur0为步进电机初始速度，计数器vcnt根据所述设定步进电机步进数steps递增；S605：当所述速度增大所需要的步进数stepsmax与设定步进电机步进数steps相等，则执行S606，若所述速度增大所需要的步进数stepsmax与设定步进电机步进数steps不相等，则返回执行S604；S606：进入匀速阶段，速度vcur不变；S607：计算出剩余的步进数stepsmax；S608：进入...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘荣，
申请(专利权)人：重庆谱思机器人控制系统有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆;85