專利名稱：全數(shù)字細(xì)分型高精度步進(jìn)電機(jī)控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種步進(jìn)電機(jī)控制裝置，特別是細(xì)分型、全數(shù)字步進(jìn)電機(jī)控制器的控制方案和實(shí)現(xiàn)方法。
但是由于制造工藝的原因，步進(jìn)電機(jī)的步距角，即每個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角度一般不會(huì)做得很小，目前一般步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°/P，用于小體積精密控制環(huán)境下的、體積微小的步進(jìn)電機(jī)的步距角為15°/P，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了精密控制的精度要求。另外，步進(jìn)電機(jī)在較高速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，這種現(xiàn)象對(duì)精密控制系統(tǒng)產(chǎn)生極大的危害。解決上述問(wèn)題的一條行之有效的途徑就是對(duì)步進(jìn)電機(jī)采取細(xì)分控制的方法，即將原來(lái)輸入步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)脈沖細(xì)分為現(xiàn)在的若干個(gè)脈沖，使得步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子在兩個(gè)機(jī)械步距角之間的運(yùn)動(dòng)分多步完成，而不是原來(lái)的一步完成，即將步進(jìn)電機(jī)定子的兩相繞組的電流由原來(lái)的脈沖形式，改變?yōu)楝F(xiàn)在的正弦方式，細(xì)分?jǐn)?shù)就是對(duì)正弦波形的數(shù)字表示的精度。理論上當(dāng)細(xì)分?jǐn)?shù)為無(wú)窮大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子在原來(lái)的兩個(gè)機(jī)械步距角之間的運(yùn)動(dòng)可以達(dá)到完全的平滑。
美國(guó)專利(專利號(hào)6,414,460，發(fā)明人Li；Yanqing；Pham；Luu T.；Sasso；Mark E.)講述了一個(gè)只有8步和16步細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其特點(diǎn)是步進(jìn)電機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是其控制功能有限，電流采用模擬器件提供，沒(méi)有電流反饋控制，沒(méi)有對(duì)電流變化的限制功能，沒(méi)有通訊接口電路。該類型控制器可用于一些對(duì)精度、運(yùn)動(dòng)特性要求不是很高的環(huán)境中。
美國(guó)專利(專利號(hào)5,914,579，發(fā)明人Komm；William)講述了一個(gè)具有細(xì)分功能的步進(jìn)電機(jī)控制器，在其專利文件中沒(méi)有提到該控制器能夠達(dá)到的細(xì)分精度。該控制器的特點(diǎn)是由微處理器給出電機(jī)定子繞組中的兩相電流的給定值，這是一個(gè)數(shù)字形式的量，再用附加的數(shù)字——模擬轉(zhuǎn)換電路對(duì)該數(shù)字量進(jìn)行變化，得到模擬控制電壓。對(duì)電流的控制是采用開環(huán)的方式，沒(méi)有對(duì)電流的反饋調(diào)節(jié)功能，這種控制方式使得步進(jìn)電機(jī)在高速和低速運(yùn)行時(shí)輸出的力矩不一致，沒(méi)有對(duì)電流變化的限制功能，沒(méi)有通訊接口電路。
美國(guó)專利(專利號(hào)6,140,793，發(fā)明人Carr；Raymond A.；Johns；Michael R.)講述了一個(gè)具有細(xì)分功能的步進(jìn)電機(jī)控制器，其特點(diǎn)是由核心微控制器以數(shù)字量的形式輸出電機(jī)定子兩相繞組電流的給定值，通過(guò)模擬——數(shù)字變換得到模擬量，經(jīng)過(guò)功率放大后輸出到步進(jìn)電機(jī)的兩相繞組中，專利文獻(xiàn)中沒(méi)有提到對(duì)電流的反饋調(diào)節(jié)功能。該控制器沒(méi)有對(duì)電流變化的限制功能，沒(méi)有通訊接口電路。
以上三個(gè)專利所具有的共同特點(diǎn)是1)利用微處理器內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)表，通過(guò)查表方式給出步進(jìn)電機(jī)電流給定值數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)字——模擬變換得到模擬控制電壓2)控制電壓經(jīng)過(guò)功率放大后直接為步進(jìn)電機(jī)的定子兩相繞組供電，對(duì)定子電流沒(méi)有實(shí)現(xiàn)反饋控制，使電機(jī)在高速和低速運(yùn)行時(shí)輸出的力矩不一致，定子電流波動(dòng)較大3)步進(jìn)電機(jī)兩相繞組電流的控制系統(tǒng)都是用模擬元件實(shí)現(xiàn)的，由于模擬元件的一致性比較差，元件特性受環(huán)境條件影響比較大，由模擬元件構(gòu)成的兩路調(diào)節(jié)器、功率放大器要做到控制特性完全一樣是一件非常困難的事情，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試工作也很困難4)沒(méi)有與上層控制單元或計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊的接口部分，不能實(shí)現(xiàn)智能化要求比較高的控制過(guò)程，不能直接與上層控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換5)沒(méi)有位置檢測(cè)單元，不能單獨(dú)完成高精度的位置控制功能6)在控制器通電和斷電的瞬間沒(méi)有對(duì)定子電流升降變化率采取限制措施，致使電機(jī)在這兩個(gè)瞬間產(chǎn)生很強(qiáng)的抖動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)損壞精密運(yùn)動(dòng)部件。
本發(fā)明的技術(shù)方案是1)以具有高速運(yùn)算能力的微處理器為中心控制單元，設(shè)計(jì)出與上層控制單元能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的串行通訊接口(異步和同步)，設(shè)計(jì)出適合步進(jìn)電機(jī)控制的通用信號(hào)輸入輸出單元，所有與上層單元連接的信號(hào)都經(jīng)過(guò)光電隔離處理2)步進(jìn)電機(jī)定子電流的給定量由微處理器查表給出，定子電流的實(shí)際值通過(guò)反饋單元測(cè)得，經(jīng)模擬——數(shù)字變換為數(shù)字量并輸入到中央處理器中，由中央處理器的程序構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)定子兩相電流的數(shù)字式電流控制器，控制的目的是使電流實(shí)際值與電流給定值相等3)控制器輸出的兩相電流控制量以數(shù)字的形式出現(xiàn)，利用該控制量直接控制兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的脈寬調(diào)制器(PWM)，PWM的輸出信號(hào)(0或1)直接控制兩個(gè)H型橋式功率放大電路，從而實(shí)現(xiàn)了電流的全數(shù)字控制4)設(shè)計(jì)了位置計(jì)數(shù)脈沖輸入單元，形成了位置反饋控制環(huán)節(jié)5)在控制器通電后和斷電前的瞬間對(duì)定子電流的升降變化按照預(yù)定的曲線進(jìn)行控制，嚴(yán)格控制電流變化率。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)定子繞組電流的數(shù)字化控制，并對(duì)兩相電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)反饋控制，大大提高了步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性，特別是低速和超低速運(yùn)行時(shí)的特性；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試工作很少；與上層控制單元的配合具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，并能獨(dú)立承擔(dān)高精度的位置控制工作，使產(chǎn)品整機(jī)體積小且實(shí)用性強(qiáng)；所有輸入輸出信號(hào)都經(jīng)過(guò)了光電隔離作用，提高了控制器的抗干擾能力和運(yùn)行的可靠性。
步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)輸入單元(12)經(jīng)過(guò)光電隔離單元(14)后將上層控制單元發(fā)送的控制信號(hào)輸入到中央控制單元(17)中。輸入信號(hào)主要有指示電機(jī)運(yùn)動(dòng)的脈沖信號(hào)(Step)，決定電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的方向信號(hào)(CW/CCW)，控制運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的使能信號(hào)(En/Dis)，以及對(duì)下層控制器進(jìn)行復(fù)位操作的復(fù)位信號(hào)(Run/Rst)等。中央處理單元(17)可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的精度要求，預(yù)先設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分精度和電機(jī)電流的幅值。電流幅值曲線以數(shù)據(jù)表的形式預(yù)先存儲(chǔ)在中央處理單元中，當(dāng)中央處理單元(17)接收到運(yùn)動(dòng)信號(hào)脈沖(Step)和方向信號(hào)(CW/CCW)時(shí)，中央處理單元按照脈沖信號(hào)(Step)的快慢，從數(shù)據(jù)表中查出步進(jìn)電機(jī)(5)定子兩相繞組的電流給定值，圖5為250細(xì)分情況下的電流給定值波形圖(已經(jīng)經(jīng)過(guò)數(shù)字——模擬變換)，步進(jìn)電機(jī)(5)定子繞組中的兩相電流經(jīng)過(guò)電流檢測(cè)單元(20)檢測(cè)后得到兩相電流的反饋值，該反饋值含有很多的高頻干擾信號(hào)(如圖6所示)。該反饋值經(jīng)過(guò)濾波放大電路(7)后，得到一個(gè)沒(méi)有干擾信號(hào)的、完整的電流反饋量(如圖7所示)。該反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬——數(shù)字變換單元(6)后得到兩相電流反饋值的數(shù)字量，并被輸入到中央處理單元(17)中，中央處理單元(17)通過(guò)軟件程序建立了兩個(gè)調(diào)節(jié)功能、參數(shù)特性完全相同的數(shù)字式電流調(diào)節(jié)器(19)，其調(diào)節(jié)功能如

圖1所示該調(diào)節(jié)器的輸入量有兩個(gè)1)由電流給定單元(1)給出的電流給定值Ig2)如上述的，經(jīng)過(guò)濾波放大和模擬——數(shù)字變換的電流反饋值If，電流控制器(2)對(duì)這兩個(gè)量進(jìn)行運(yùn)算，得到數(shù)字形式的控制量Ui，利用該數(shù)字量控制脈寬調(diào)制器(3)，脈寬調(diào)制器(3)輸出的脈沖波形如圖4所示，當(dāng)控制量Ui的數(shù)值比較大時(shí)，脈寬調(diào)制器(3)輸出脈沖的占空比就比較大，當(dāng)控制量Ui的數(shù)值比較小時(shí)，脈寬調(diào)制器(3)輸出脈沖的占空比就比較小。用脈寬調(diào)制器(3)的輸出信號(hào)直接控制兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的H橋式功率放大器(4)，H橋式功率放大器(4)的原理圖如圖(3)所示，電路是由CMOS半導(dǎo)體管組成的功率放大電路。每一個(gè)H橋式功率放大器(4)為步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)繞組供電，如圖(3)所示，當(dāng)脈寬調(diào)制器(3)輸出為1時(shí)，H橋式功率放大器的Q1、Q4導(dǎo)通，步進(jìn)電機(jī)(5)的A相繞組正向通電；當(dāng)脈寬調(diào)制器(3)輸出為0時(shí)，H橋式功率放大器的Q2、Q3導(dǎo)通，步進(jìn)電機(jī)(5)的A相繞組反向通電。同樣道理，當(dāng)H橋式功率放大器的Q5、Q8導(dǎo)通時(shí)，步進(jìn)電機(jī)(5)的B相繞組正向通電，當(dāng)H橋式功率放大器的Q6、Q7導(dǎo)通時(shí)，步進(jìn)電機(jī)(5)的B相繞組反向通電。這樣，對(duì)步進(jìn)電機(jī)(5)定子兩相繞組的電流調(diào)節(jié)過(guò)程都是對(duì)數(shù)字量的計(jì)算，和對(duì)數(shù)字量的傳輸過(guò)程。其中電流控制器的計(jì)算過(guò)程是由中央處理單元(17)的軟件程序完成的。由于微處理器內(nèi)部的數(shù)字計(jì)算過(guò)程穩(wěn)定可靠，不會(huì)受到環(huán)境的影響，不會(huì)受到計(jì)算單元的型號(hào)限制，同樣數(shù)字電路的抗干擾能力強(qiáng)，受環(huán)境條件的影響大大優(yōu)于模擬電路，用此方法實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)電流控制器的物理特性，調(diào)節(jié)參數(shù)非常一致，使得步進(jìn)電機(jī)(5)定子兩相繞組中流過(guò)的電流非常對(duì)稱。電機(jī)在超低速下運(yùn)行時(shí)非常穩(wěn)定。同時(shí)該實(shí)施電路的調(diào)試工作非常少，運(yùn)行也非?？煽俊?br> 為了完善步進(jìn)電機(jī)控制器的功能，使該控制器能夠獨(dú)立地完成高精度的速度控制、位置控制任務(wù)，特設(shè)計(jì)了一個(gè)位值反饋環(huán)節(jié)，即位置計(jì)數(shù)脈沖反饋單元(21)，該單元可以接收常用的位置反饋元件的輸出信號(hào)，如對(duì)于旋轉(zhuǎn)位置的反饋單元——增量碼盤，對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)的位置反饋單元——光柵尺等，位置計(jì)數(shù)脈沖反饋單元(21)接收到上述元件的位置反饋信號(hào)后，對(duì)位置脈沖信號(hào)進(jìn)行倍頻操作，并從中分辨出運(yùn)動(dòng)的方向信號(hào)，再經(jīng)過(guò)脈沖整形與濾波電路(22)后，將位置反饋信息輸入到中央處理單元(17)中，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)伺服控制中的位置閉環(huán)。
狀態(tài)檢測(cè)電路(23)對(duì)步進(jìn)電機(jī)(5)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的多種狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)(如運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的極限位置限位信號(hào)，運(yùn)動(dòng)的0位信號(hào)等)。狀態(tài)檢測(cè)電路(23)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行延時(shí)、濾波和信號(hào)整形等操作后，輸入到中央處理單元(17)中，為控制系統(tǒng)提供信息。同時(shí)將這些信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離單元(15)進(jìn)行電隔離后，經(jīng)過(guò)信號(hào)輸出接口單元(13)輸出到上層控制單元中。
考慮到當(dāng)步進(jìn)電機(jī)(5)的定子線圈內(nèi)的電流由0突然上升到給定值，或由給定值突然降為0時(shí)，定子就會(huì)突然形成磁場(chǎng)，或磁場(chǎng)突然消失，并使轉(zhuǎn)子從原來(lái)的位置轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，其大小視轉(zhuǎn)子的初始位置不同而不同，最大可達(dá)到一個(gè)機(jī)械角。步進(jìn)電機(jī)的這種抖動(dòng)對(duì)精密機(jī)械部件產(chǎn)生非常大的損傷。為避免這種現(xiàn)象發(fā)生，在步進(jìn)電機(jī)控制器通電和斷電的瞬間，控制器并沒(méi)有給被控制的步進(jìn)電機(jī)(5)的定子線圈立即通電或斷電。當(dāng)控制器通電后，步進(jìn)電機(jī)(5)的定子線圈內(nèi)的電流是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，以給定的電流上升曲線和下降曲線，如圖(7)所示，控制步進(jìn)電機(jī)(5)的電流“軟上升”或“軟下降”，從而避免了步進(jìn)電機(jī)(5)在控制器通電和斷電的瞬間產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象。這一點(diǎn)對(duì)精密位置控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性要求很高的應(yīng)用環(huán)境中非常重要。
權(quán)利要求
1.一種全數(shù)字細(xì)分型高精度步進(jìn)電機(jī)控制器，其特征在于它包括中央處理單元(17)，與光電隔離單元(10，11，14，15)、狀態(tài)檢測(cè)(23)連接，從光電隔離單元(10，11，14，15)得到對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)命令電信號(hào)，從狀態(tài)檢測(cè)(23)得到步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)電信號(hào)，中央處理單元(17)對(duì)這些電信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和邏輯判斷，計(jì)算結(jié)果為步進(jìn)電機(jī)定子電流的控制電信號(hào)，將該電信號(hào)給PWM調(diào)節(jié)器(16)，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)定子電流的數(shù)字化控制，對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)，與上層控制單元(與本控制器連接的系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī))進(jìn)行數(shù)據(jù)，或信號(hào)通訊；同步串行通訊單元(8)，通過(guò)光電隔離單元(10)與中央處理單元(17)相連接，為控制器提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的三線制同步串行通訊接口，中央處理單元可通過(guò)該單元與上層控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接受命令；異步串行通訊單元(9)，通過(guò)光電隔離單元(11)與中央處理單元(17)相連接，為控制器提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二線制異步串行通訊接口，中央處理單元可通過(guò)該單元與上層控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接受命令；步進(jìn)電機(jī)控制輸入(12)，通過(guò)光電隔離單元(14)與中央處理單元(17)連接，中央處理單元通過(guò)該單元接收標(biāo)準(zhǔn)形式的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)命令信號(hào)，依照這些信號(hào)的形式控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)；狀態(tài)輸出單元(13)，通過(guò)光電隔離單元(15)與中央處理單元(17)連接，該單元將中央處理單元中存儲(chǔ)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的各種狀態(tài)，控制器本身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)提供到上層控制單元中；光電隔離單元(10，11，14，15)，是利用光電原理傳送信號(hào)，首先將光電隔離單元一側(cè)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，利用光傳輸信號(hào)，在光電隔離單元的另一側(cè)，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，使得光電隔離單元兩端的電路之間沒(méi)有電的連接，以便消除本控制器與上層控制單元之間的相互干擾；數(shù)字控制器(19)，是由中央處理單元中的控制軟件組成的，該單元是兩個(gè)控制特性、控制參數(shù)完全相同的電流控制器，接受數(shù)字形式的電流給定量與反饋量，輸出數(shù)字形式的電流控制量，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)定子兩相繞組電流的完全對(duì)稱控制；PWM調(diào)節(jié)器(16)，該單元接收數(shù)字控制器(19)輸出的數(shù)字化電流控制量，并按照該控制量數(shù)值的大小，以預(yù)先設(shè)定好的頻率，輸出占空比與控制量數(shù)值成正比(或成反比)的脈沖形式的電壓信號(hào)給功率放大器(18)；功率放大器(18)，該單元受PWM調(diào)節(jié)器(16)輸出的控制，對(duì)PWM調(diào)節(jié)器(16)輸出的脈沖形式的電壓信號(hào)進(jìn)行功率放大，該單元的輸出為步進(jìn)電機(jī)(5)的定子繞組供電；步進(jìn)電機(jī)(5)，為兩相(或四相)步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的定子具有兩個(gè)結(jié)構(gòu)、電氣特性完全相同的繞組線圈，當(dāng)兩個(gè)線圈中通過(guò)一定形式的脈沖電流時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)的速度與(18)輸入脈沖的頻率成正比，旋轉(zhuǎn)的角度與(18)輸入脈沖的個(gè)數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)的方向與電機(jī)定子中兩相繞組中脈沖式電流的相位有關(guān)；電流反饋(20)，該單元用于對(duì)步進(jìn)電機(jī)定子中流過(guò)的電流進(jìn)行取樣，輸出信號(hào)是與定子電流的大小成正比的電壓信號(hào)；濾波與放大(7)單元接收(20)電流反饋信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波作用，以濾除掉電流反饋信號(hào)中混雜的高頻噪聲信號(hào)，同時(shí)對(duì)(20)的電流反饋信號(hào)進(jìn)行電壓放大；模擬——數(shù)字變換(6)接收經(jīng)過(guò)濾波、放大(7)后的電流反饋信號(hào)，將這個(gè)模擬信號(hào)變換為數(shù)字形式的量，并輸入到數(shù)字控制器(19)中；位置計(jì)數(shù)脈沖反饋(21)接收由步進(jìn)電機(jī)(5)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)位置反饋裝置發(fā)出的位置計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)，并對(duì)該脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)操作，單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值與電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度成正比，該單元從位置反饋單元發(fā)出的位置計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)中分辨出運(yùn)動(dòng)方向信號(hào)；脈沖整形單元(22)對(duì)代表位置反饋(21)的脈沖信號(hào)進(jìn)行波形處理，去除混雜在信號(hào)中的干擾成分，使得脈沖信號(hào)規(guī)范，將此信號(hào)傳送給數(shù)字控制器(19)；狀態(tài)檢測(cè)單元(23)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的狀態(tài)信息，如運(yùn)動(dòng)的極限位置限位信號(hào)，某運(yùn)動(dòng)方向的初始位置(0位)信號(hào)，將檢測(cè)到的這些信號(hào)輸入到中央處理單元(17)中；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字細(xì)分型高精度步進(jìn)電機(jī)控制器，其特征在于中央處理器單元(17)的內(nèi)部存儲(chǔ)器中以數(shù)字形式存有步進(jìn)電機(jī)定子兩相繞組電流給定值的細(xì)分波形數(shù)據(jù)，當(dāng)細(xì)分標(biāo)準(zhǔn)確定以后，中央處理單元以確定的精度向數(shù)字控制器(19)輸出步進(jìn)電機(jī)定子兩相繞組的電流給定波形值；中央處理器單元(17)的內(nèi)部存儲(chǔ)器中以數(shù)字形式存有步進(jìn)電機(jī)定子兩相繞組中電流的上升與下降的變化波形數(shù)據(jù)，當(dāng)控制器開始工作時(shí)，中央處理單元以確定的精度向數(shù)字控制器(19)輸出步進(jìn)電機(jī)定子兩相繞組的電流上升波形值(由0上升到標(biāo)稱值)，當(dāng)控制器工作結(jié)束時(shí)，中央處理單元以確定的精度向數(shù)字控制器(19)輸出步進(jìn)電機(jī)定子兩相繞組的電流下降波形值(由標(biāo)稱值下降到0)；外部接收細(xì)分設(shè)置信號(hào)，根據(jù)這些設(shè)置信號(hào)的組合狀態(tài)完成細(xì)分精度的設(shè)定過(guò)程，中央處理單元(17)按照所設(shè)定好的細(xì)分精度從電流給定值存儲(chǔ)表中查出電流給定值；外部接收電流設(shè)置信號(hào)，根據(jù)這些設(shè)置信號(hào)的組合狀態(tài)完成對(duì)被控制的步進(jìn)電機(jī)定子電流的幅值設(shè)定過(guò)程，被控制的步進(jìn)電機(jī)定子電流的幅值有16種狀態(tài)；根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的精度要求，預(yù)先設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分精度和電機(jī)電流的幅值，電流幅值曲線以數(shù)據(jù)表的形式預(yù)先存儲(chǔ)在中央處理單元中，當(dāng)中央處理單元(17)接收到運(yùn)動(dòng)信號(hào)脈沖(Step)和方向信號(hào)(CW/CCW)時(shí)，中央處理單元按照脈沖信號(hào)(Step)的快慢，從數(shù)據(jù)表中查出步進(jìn)電機(jī)(5)定子兩相繞組的電流給定值，步進(jìn)電機(jī)(5)定子繞組中的兩相電流經(jīng)過(guò)電流檢測(cè)單元(20)檢測(cè)后得到兩相電流的反饋值，該反饋值經(jīng)過(guò)濾波放大電路(7)進(jìn)行濾波、放大，經(jīng)過(guò)模擬——數(shù)字變換單元(6)進(jìn)行模-數(shù)變換，得到數(shù)字形式的電流反饋量，輸入到中央處理單元(17)中，中央處理單元(17)通過(guò)軟件程序建立了兩個(gè)調(diào)節(jié)功能、參數(shù)特性完全相同的數(shù)字式電流調(diào)節(jié)器(19)，該調(diào)節(jié)器的輸入量有兩個(gè)；1)由電流給定單元(1)給出的電流給定值Ig2)如上述的，經(jīng)過(guò)濾波放大和?！獢?shù)變換的電流反饋值If，電流控制器(2)對(duì)這兩個(gè)量進(jìn)行運(yùn)算，得到數(shù)字形式的控制量Ui，利用該數(shù)字量控制脈寬調(diào)制器(3)；用脈寬調(diào)制器(3)的輸出信號(hào)直接控制兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的H橋式功率放大器(4)，電路是由CMOS半導(dǎo)體管組成的功率放大電路，每一個(gè)H橋式功率放大器(4)為步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)繞組供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字細(xì)分型高精度步進(jìn)電機(jī)控制器，其特征在于同步串行通訊(8)是一個(gè)接口電路，為3線同步通訊模式，三條通訊線路分別為時(shí)鐘線(Clock)，數(shù)據(jù)輸入線(Data_In)，數(shù)據(jù)輸出線(Data_Out)；異步串行通訊電路為2線異步通訊模式，兩條通訊線路分別為數(shù)據(jù)接受線(RXD)，數(shù)據(jù)發(fā)送線(TXD)；為了減少本控制器與上層控制單元之間的干擾，在設(shè)計(jì)這兩種標(biāo)準(zhǔn)通訊接口時(shí)附加了光電隔離單元(10)(11)，通過(guò)這兩個(gè)數(shù)據(jù)通訊接口，步進(jìn)電機(jī)控制器能夠以命令的形式直接接收與本控制器連接的系統(tǒng)主控制計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的各種數(shù)據(jù)或命令，并按照命令規(guī)定的要求控制步進(jìn)電機(jī)以要求的速度曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)定的角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字細(xì)分型高精度步進(jìn)電機(jī)控制器，其特征在于步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)輸入單元(12)經(jīng)過(guò)光電隔離單元(14)后將上層控制單元發(fā)送的運(yùn)動(dòng)命令信號(hào)輸入到中央控制單元(17)中，輸入信號(hào)主要有指示電機(jī)運(yùn)動(dòng)的脈沖信號(hào)(Step)，決定電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的方向信號(hào)(CW/CCW)，決定本控制器工作狀態(tài)的信號(hào)(En/Dis)，以及對(duì)本控制器進(jìn)行復(fù)位操作的復(fù)位信號(hào)(Run/Rst)；
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字細(xì)分型高精度步進(jìn)電機(jī)控制器，其特征在于位置計(jì)數(shù)脈沖反饋(21)上一個(gè)位置反饋環(huán)節(jié)，從步進(jìn)電機(jī)(5)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中常用的位置反饋元件接收輸出信號(hào)，如對(duì)于旋轉(zhuǎn)位置的反饋單元——增量碼盤，對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)的位置反饋單元——光柵尺，對(duì)位置脈沖信號(hào)進(jìn)行倍頻操作，并從中分辨出運(yùn)動(dòng)的方向信號(hào)，再經(jīng)過(guò)脈沖整形與濾波電路(22)后，將位置反饋信息輸入到中央處理單元(17)中，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)伺服控制中的位置閉環(huán)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字細(xì)分型高精度步進(jìn)電機(jī)控制器，其特征在于狀態(tài)檢測(cè)電路(23)對(duì)步進(jìn)電機(jī)(5)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的多種狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)(如運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的極限位置限位信號(hào)，運(yùn)動(dòng)的0位信號(hào))，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行延時(shí)、濾波和信號(hào)整形等操作后，輸入到中央處理單元(17)中，為控制系統(tǒng)提供信息，同時(shí)將這些信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離單元(15)進(jìn)行電隔離后，經(jīng)過(guò)信號(hào)輸出接口單元(13)輸出到上層控制單元中。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字細(xì)分型高精度步進(jìn)電機(jī)控制器，其特征在于步進(jìn)電機(jī)(5)的定子線圈內(nèi)的電流由0突然上升到給定值，或由給定值突然降為0時(shí)，定子就會(huì)突然形成磁場(chǎng)，或磁場(chǎng)突然消失，并使轉(zhuǎn)子從原來(lái)的位置轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，達(dá)到一個(gè)機(jī)械角，產(chǎn)生抖動(dòng)，對(duì)精密機(jī)械部件造成損傷，為避免這種現(xiàn)象發(fā)生，在步進(jìn)電機(jī)控制器通電和斷電的瞬間，控制器不給被控制的步進(jìn)電機(jī)(5)的定子線圈立即通電或斷電，當(dāng)控制器通電后，步進(jìn)電機(jī)(5)的定子線圈內(nèi)的電流是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，以給定的電流上升曲線和下降曲線，控制步進(jìn)電機(jī)(5)的電流“軟上升”或“軟下降”。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全數(shù)字細(xì)分型高精度步進(jìn)電機(jī)控制器的控制方法，其特征在于包括下述步驟1)初始化本控制器的各種功能模塊；2)按照步進(jìn)電機(jī)定子電流上升曲線表中的給定值，控制步進(jìn)電機(jī)定子兩相繞組電流達(dá)到初始值；3)查詢、接受上層控制單元向本控制器發(fā)出的的運(yùn)動(dòng)命令信號(hào)；4)如接收到運(yùn)動(dòng)命令信號(hào)，按照命令信號(hào)中規(guī)定的運(yùn)動(dòng)形式(運(yùn)動(dòng)速度，運(yùn)動(dòng)距離)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，其中包括由步進(jìn)電機(jī)定子兩相繞組電流給定值的細(xì)分波形數(shù)據(jù)表中得到定子繞組的電流給定；●通過(guò)電流檢測(cè)單元檢測(cè)到定子兩相電流的反饋信號(hào)；●由數(shù)字電流控制器計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)定子兩相電流的控制量；●通過(guò)PWM調(diào)制器輸出到功率放大器，達(dá)到對(duì)定子兩相繞組電流的控制；5)檢測(cè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行邏輯判斷，傳輸?shù)缴蠈涌刂茊卧校?)查詢、接受上層控制單元向本控制器發(fā)出的運(yùn)動(dòng)命令信號(hào)，如是運(yùn)動(dòng)信號(hào)，轉(zhuǎn)步驟4)，如是運(yùn)動(dòng)停止命令信號(hào)，轉(zhuǎn)步驟7)；7)停止對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制操作，按照步進(jìn)電機(jī)定子電流下降曲線表中的給定值，控制步進(jìn)電機(jī)定子兩相繞組電流下降為0；8)結(jié)束本控制器的工作狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種步進(jìn)電機(jī)控制裝置，特別是細(xì)分型、全數(shù)字步進(jìn)電機(jī)控制器的控制方案和實(shí)現(xiàn)方法。該控制器是以高速單片微處理器為控制核心單元，配備步進(jìn)電機(jī)控制接口電路、功率放大電路和與主計(jì)算機(jī)的異步串行通訊、同步串行通訊接口電路組成?？刂破鹘邮諛?biāo)準(zhǔn)的TTL電平邏輯控制信號(hào)作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，并與上層控制電路實(shí)現(xiàn)了全部的光電隔離。電機(jī)的輸入脈沖控制信號(hào)最高頻率可達(dá)1MHz，可以實(shí)現(xiàn)250分頻，使電機(jī)的定位精度提高了250倍，減小了電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的脈動(dòng)，可在低速下(0.2rpm)穩(wěn)定運(yùn)行，運(yùn)行中電機(jī)電流的變化量被嚴(yán)格控制，減小了系統(tǒng)在開、關(guān)時(shí)因電流突然變化對(duì)機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊，特別適用于具有高精度、超低速運(yùn)動(dòng)控制要求的系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)G05D3/20GK1452312SQ0312992
公開日2003年10月29日 申請(qǐng)日期2003年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月23日
發(fā)明者張建勛, 安剛, 李彬, 王樹新, 劉鐵羅 申請(qǐng)人:南開大學(xué)