一种多自由度集成化步进电机驱动系统技术方案

本发明专利技术提供了一种多自由度集成化步进电机驱动系统，主要包括上位机和硬件部分，其中，硬件部分主要包括电源模块、DSP控制核心、功率驱动单元、控制指令输入单元和显示单元。上位机与硬件部分之间的通信采用应答模式，既可以由硬件部分单独控制也可以由上位机和硬件部分联合控制，两种控制模式可以任意切换。本发明专利技术不仅能够很好地解决统的基于虚拟仪器的步进电机驱动系统成本高、可移植性差的缺点，还可以同时控制多种不同型号步进电机平滑起动、加速、减速、停机，实时任意细分模式选择等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于步进电机控制领域，具体涉及一种多自由度集成化步进电机驱动系统。
技术介绍
步进电机由于具有优良的定位特性、无位置累积误差和较高的开环精度等特点而被广泛地应用于生产生活的各个领域。步进电机作为一种机电一体化产品，驱动系统的优劣直接影响到步进电机的性能。由于步进电机本身存在低频振动和高频带载能力下降等问题，因此需要高性能的驱动系统来消除步进电机的低频共振现象，减小运行时的振动和噪声。随着数字信号处理器(DSP)、现场可编辑门阵列(FPGA)的飞速发展，步进电机驱动系统发展到高度集成化、数字化、软硬件结合的阶段。由于FPGA运算处理能力较弱，往往需要将FPGA与单片机相结合，这无疑增加了系统的复杂度，降低了系统的可靠性。专利“一种基于FPGA的步进电机无抖动驱动控制系统及基于该系统的控制方法”采用了高性能的FPGA，虽然节省了单片机，但是大大提高了整个系统的成本。在线监测和远程控制也成为步进电机驱动系统的发展主流，基于虚拟仪器的运动控制技术被广泛应用于在线检测等高速、高精度的检测
传统的基于虚拟仪器的步进电机驱动系统是上位机通过LabVIEW编程，步进电机运动控制卡作为下位机，调用相关函数实现驱动系统。但是这种方式提高了驱动系统的成本，降低了系统的可移植性。此外，在需要同时控制多个自由度运行的场合，往往需要多个步进电机驱动系统协调工作，而驱动系统通常仅适用于某一或者某几个型号的步进电机，应用范围狭窄。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种通过上位机与硬件之间特有的通信模式实现同时控制多种不同型号步进电机运行，并能实现任意细分控制的多自由度集成化步进电机驱动系统。本专利技术不仅能够很好地解决传统的基于虚拟仪器的步进电机驱动系统成本高、可移植性差的问题，而且可以同时控制多种不同型号步进电机平滑起动、加速、减速、停机，实时任意细分模式选择等。一种多自由度集成化步进电机驱动系统，其特征在于：主要包括上位机和硬件部分，其中，硬件部分主要包括电源模块、DSP控制核心、功率驱动单元、控制指令输入单元和显示单元。上位机接收用户手动输入各种控制指令，并对电机的运行状态进行实时显示，通过RS232总线与硬件部分的DSP控制核心完成通信；电源模块主要包括电压设定模块、电压转换模块、稳压模块，分别给DSP控制核心、功率驱动单元、控制指令输入单元和显示单元进行供电；DSP控制核心主要包括SCI通信模块、A/D模块、定时模块、PWM产生模块，接收上位机或控制指令输入单元的控制指令信号，对A/D模块采集到的电流信号进行A/D转换，并发送控制信号到功率驱动单元，发送频率信号到显示单元进行显示；控制指令输入单元主要包括电流给定模块、运行频率设定模块、起停控制模块、系统控制模式设定模块，用于进行控制指令输入和系统工作状态设定；显示单元由数码管来循环显示电机的运行频率。驱动系统具有两种控制模式：模式一是上位机和硬件部分联合控制模式，模式二是硬件部分单独控制模式，模式一和模式二之间的切换由一个自锁开关来控制；打开自锁开关，系统工作在模式一，控制指令由上位机人机界面输入，硬件部分的控制指令输入单元被屏蔽；关闭自锁开关，系统工作在模式二，控制指令由硬件部分的控制指令输入单元输入；所述的控制命令主要包括自由度和该自由度下的控制参数，所述的控制参数包括电机的起停、正反转、运行频率、驱动电流大小、细分数。所述的控制模式一中，在上位机运行之前首先要进行串口选择，设置波特率和奇偶校验位，与DSP控制核心的SCI通信模块的配置相符，在上位机运行后，串口选择、波特率设置、奇偶校验将会被禁用，即在运行过程中不能进行修改；每一个自由度的电机都有各自独立的上位机控制模块，要修改该自由度的控制参数，需先进行自由度选择，在没有选择相应的自由度时，该自由度下的控制参数均不能进行设置。上位机与硬件部分之间的通信采用应答模式，具体为：上位机将人机界面中一个自由度的控制指令打包为数据帧发送给DSP控制核心，DSP控制核心触发接收中断，然后解码数据包，同时将采样的电流信号发送给上位机，跳出中断；上位机接收DSP控制核心发送的数据，并将其进行显示，同时将第二个自由度的控制指令打包为数据帧，发送给DSP控制核心，如此循环直至关闭上位机或者切换系统的控制模式。驱动系统主要包括待机状态、暂停状态和运行状态三种工作状态，三种工作状态的切换通过控制指令输入单元中的起停控制模块进行设定，具体如下：待机状态：驱动系统上电后，电源模块根据用户设定的电机参数进行电压转换，对控制指令输入单元和DSP控制核心正常供电，对运动状态显示单元和功率驱动单元不供电；暂停状态：电源模块对DSP控制核心、功率驱动单元、控制指令输入单元和显示单元都正常供电，但是DSP控制核心不产生控制信号来控制功率驱动单元，功率驱动单元不驱动电机运行；运行状态：电源模块对DSP控制核心、功率驱动单元、控制指令输入单元和显示单元都正常供电，功率驱动单元根据DSP产生的控制信号来产生相应的动作，电机正常运行。有益效果本专利技术提供了多自由度集成化步进电机驱动系统，相比以往的驱动系统，本系统既可以由硬件部分单独控制也可以由上位机和硬件部分联合控制，两种控制模式可以任意切换；本专利技术不仅能够很好地解决统的基于虚拟仪器的步进电机驱动系统成本高、可移植性差的缺点，而且可以同时控制多种不同型号步进电机平滑起动、加速、减速、停机，实时任意细分模式选择等。附图说明图1是本专利技术的一种多自由度集成化步进电机驱动系统的基本结构示意图。图2是本专利技术的一种多自由度集成化步进电机驱动系统框图。图3是多自由度集成化步进电机驱动系统驱动电路。图4是多自由度集成化步进电机驱动系统显示电路。图5是多自由度集成化步进电机驱动系统电平转换电路。图中：1-上位机；2-显示单元；3-DSP控制核心；4-控制指令输入单元；5-电源模块；6-功率驱动单元。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明，本专利技术包括但不仅限于下述实施例。如图1所示，本专利技术的一种多自由度集成化步进电机驱动系统，主要包括上位机和硬件部分，其中，硬件部分主要包括电源模块、DSP控制核心、功率驱动单元、控制指令输入单元和显示单元。上位机接收用户手动输入各种控制指令，并对电机的运行状态进行实时显示，通过RS232总线与硬件部分的DSP控制核心完成通信；电源模块主要包括电压设定模块、电压转换模块、稳压模块，分别给DSP控制核心、功率驱动单元、控制指令输入单元和显示单元进行供电；DSP控制核心主要包括SCI通信模块、A/D模块、定时模块、PWM产生模块，接收上位机或控制指令输入单元的控制指令信号，对A/D模块采集到的电流信号进行A/D转换，并发送控制信号到功率驱动单元，发送频率信号到显示单元进行显示；控制指令输入单元主要包括电流给定模块、运行频率设定模块、起停控制模块、系统控制模式设定模块，用于进行控制指令输入和系统工作状态设定；显示单元由数码管来循环显示电机的运行频率。驱动系统具有两种控制模式：模式一是上位机和硬件部分联合控制模式，模式二是硬件部分单独控制模式，模式一和模式二之间的切换由一个自锁开关来控制；打开自锁开关，系统工作在模式一，控制指令由上位机人机界面输入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多自由度集成化步进电机驱动系统，其特征在于：主要包括上位机和硬件部分，其中，硬件部分主要包括电源模块、DSP控制核心、功率驱动单元、控制指令输入单元和显示单元；上位机接收用户手动输入的各种控制指令，并对电机的运行状态进行实时显示，通过RS232总线与硬件部分的DSP控制核心完成通信；电源模块主要包括电压设定模块、电压转换模块、稳压模块，分别给DSP控制核心、功率驱动单元、控制指令输入单元和显示单元进行供电；DSP控制核心主要包括SCI通信模块、A/D模块、定时模块、PWM产生模块，接收上位机或控制指令输入单元的控制指令信号，对A/D模块采集到的电流信号进行A/D转换，并发送控制信号到功率驱动单元，发送频率信号到显示单元进行显示；控制指令输入单元主要包括电流给定模块、运行频率设定模块、起停控制模块、系统控制模式设定模块，用于进行控制指令输入和系统工作状态设定；显示单元由数码管来循环显示电机的运行频率。

【技术特征摘要】
1.一种多自由度集成化步进电机驱动系统，其特征在于：主要包括上位机和硬件部分，其中，硬件部分主要包括电源模块、DSP控制核心、功率驱动单元、控制指令输入单元和显示单元；上位机接收用户手动输入的各种控制指令，并对电机的运行状态进行实时显示，通过RS232总线与硬件部分的DSP控制核心完成通信；电源模块主要包括电压设定模块、电压转换模块、稳压模块，分别给DSP控制核心、功率驱动单元、控制指令输入单元和显示单元进行供电；DSP控制核心主要包括SCI通信模块、A/D模块、定时模块、PWM产生模块，接收上位机或控制指令输入单元的控制指令信号，对A/D模块采集到的电流信号进行A/D转换，并发送控制信号到功率驱动单元，发送频率信号到显示单元进行显示；控制指令输入单元主要包括电流给定模块、运行频率设定模块、起停控制模块、系统控制模式设定模块，用于进行控制指令输入和系统工作状态设定；显示单元由数码管来循环显示电机的运行频率。2.如权利要求1所述的一种多自由度集成化步进电机驱动系统，其特征在于：具有两种控制模式：模式一是上位机和硬件部分联合控制模式，模式二是硬件部分单独控制模式，模式一和模式二之间的切换由一个自锁开关来控制；打开自锁开关，系统工作在模式一，控制指令由上位机人机界面输入，硬件部分的控制指令输入单元被屏蔽；关闭自锁开关，系统工作在模式二，控制指令由硬件部分的控制指令输入单元输入；所述的控制命令主要包括自由度和该自由度下的控制参数，所述的控制参数包括电机的起停、正反转、运行频率、驱动电流大小、细分数；所述的模式一中，在上位机运行之前首先要进行串口选择，设置波特率和奇偶校验位，与DSP...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘景林，胡晓杰，王晓梅，公超，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61