一種3d打印中的步進(jìn)電機(jī)控制電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型是一種3D打印中的步進(jìn)電機(jī)控制電路，包括主控單元、恒流斬波單元、功率驅(qū)動單元、電流檢測單元以及位置檢測單元；主控單元產(chǎn)生相序信號，輸入到恒流斬波單元與PWM波合成，將合成后的相序信號輸入至功率驅(qū)動單元從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)；電流檢測單元負(fù)責(zé)檢測步進(jìn)電機(jī)相電流值，電流檢測單元傳遞信號至恒流斬波單元，位置檢測單元負(fù)責(zé)檢測步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行位置，位置檢測單元傳遞信號至主控單元。本實(shí)用新型的控制電路能夠高效、準(zhǔn)確、快速的控制步進(jìn)電機(jī)。
【專利說明】-種3D打印中的步進(jìn)電機(jī)控制電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種步進(jìn)電機(jī)的控制技術(shù)，尤其是在3D打印領(lǐng)域中使用的步進(jìn) 電機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002] 3D打印中的電機(jī)控制，實(shí)際上是一種運(yùn)動控制。根據(jù)運(yùn)動控制的不同特點(diǎn)與應(yīng)用 領(lǐng)域，運(yùn)動控制系統(tǒng)可以分為點(diǎn)位運(yùn)動系統(tǒng)與同步運(yùn)動系統(tǒng)三種類型。點(diǎn)位運(yùn)動系統(tǒng)的特 點(diǎn)是僅對終點(diǎn)位置有要求，與運(yùn)動的中間過程即運(yùn)動軌跡無關(guān)，這種運(yùn)動被稱為點(diǎn)位運(yùn)動， 主要應(yīng)用在數(shù)控鉆床、印刷電路板（PCB)鉆床、表面貼片機(jī)（SMT)、集成電路插裝機(jī)等領(lǐng)域； 同步運(yùn)動系統(tǒng)的特點(diǎn)是對多個軸之間的運(yùn)動進(jìn)行協(xié)調(diào)控制以實(shí)現(xiàn)位置或速度的同步，這種 運(yùn)動被稱為同步運(yùn)動，主要應(yīng)用在工業(yè)中套色印刷、包裝機(jī)械、造紙、乳鋼等領(lǐng)域。
[0003] 由于通常的運(yùn)動控制器只具有直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)功能，因此逼近方法一般采用 直線逼近與圓弧逼近兩種方式。直線逼近又叫線性逼近，是常用的逼近曲線方法，其原理簡 單，通常采用曲率圓弧來近似估計逼近誤差以計算符合精度要求的逼近直線段參數(shù)變量， 并且應(yīng)用范圍廣，可以用直線逼近各種復(fù)雜曲線。直線逼近雖然計算簡單，應(yīng)用范圍廣，但 是缺點(diǎn)是生成的逼近曲線不是一階連續(xù)的，在期望精度高的場合生成的逼近直線段數(shù)太 多，造成數(shù)據(jù)存儲和傳輸上的負(fù)擔(dān)，影響運(yùn)動的效率。圓弧逼近在一定程度上可以彌補(bǔ)直線 逼近的不足，采用適當(dāng)?shù)谋平椒梢陨梢浑A幾何連續(xù)的逼近曲線，并且生成的逼近圓 弧數(shù)量較少，難點(diǎn)在于控制逼近誤差的計算較復(fù)雜，難以解析地求解出目標(biāo)曲線與逼近圓 弧之間的距離，往往需要借助數(shù)值計算方法才能求解出滿足精度要求的逼近圓弧參數(shù)。
[0004] 插補(bǔ)是運(yùn)動控制器的核心功能，它是對由分段直線、圓弧等簡單曲線組成的目標(biāo) 曲線按照進(jìn)給速度的要求實(shí)時進(jìn)行"數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化"生成由離散位置點(diǎn)序列組成的逼近軌 跡，發(fā)送給伺服驅(qū)動系統(tǒng)逐點(diǎn)進(jìn)行跟蹤控制，從而實(shí)現(xiàn)多軸連續(xù)軌跡運(yùn)動。根據(jù)算法結(jié)構(gòu)的 不同，通常把插補(bǔ)方法分為脈沖增量法與數(shù)據(jù)采樣法兩大類。脈沖增量法的特點(diǎn)是通過若 干次迭代運(yùn)算完成對目標(biāo)曲線的插補(bǔ)，每次迭代運(yùn)算時在一個方向上只生成一個進(jìn)給脈沖 輸出給伺服電機(jī)，根據(jù)生成的脈沖的頻率高低來決定進(jìn)給速度的快慢。脈沖增量法一般采 用加法、乘法、移位與比較等簡單運(yùn)算來完成，運(yùn)算量小，進(jìn)給速度較低，通常只能插補(bǔ)一些 形式比較簡單的曲線如直線、圓弧等。數(shù)據(jù)采樣法的特點(diǎn)是采用粗、精兩步來完成對目標(biāo)曲 線的插補(bǔ)：第一步是粗插補(bǔ)，在目標(biāo)曲線的起點(diǎn)與終點(diǎn)之間插入若干個點(diǎn)，在插入的點(diǎn)之間 采用直線段連接以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)曲線的逼近，每段直線段對應(yīng)一個插補(bǔ)周期并且直線段的長 度滿足進(jìn)給速度的要求；第二步是精插補(bǔ)，它是在粗插補(bǔ)得到的直線段上進(jìn)行"數(shù)據(jù)點(diǎn)的密 化"，實(shí)現(xiàn)對直線段的逼近。數(shù)據(jù)采樣法的應(yīng)用范圍比脈沖增量法廣，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜曲 線的插補(bǔ)，但是計算量也隨目標(biāo)曲線的復(fù)雜性相應(yīng)地增加，使得實(shí)時性有所降低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種新型的、能夠大規(guī)模普及應(yīng)用的3D打印 機(jī)中的步進(jìn)電機(jī)控制電路；能夠1?效、準(zhǔn)確、快速的控制步進(jìn)電機(jī)。
[0006] 本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種3D打印中的步進(jìn)電機(jī)控 制電路，其特征在于：所述控制電路包括主控單元、恒流斬波單元、功率驅(qū)動單元、電流檢測 單元以及位置檢測單元；
[0007] 主控單元產(chǎn)生相序信號，輸入到恒流斬波單元與PWM波合成，將合成后的相序信 號輸入至功率驅(qū)動單元從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)；電流檢測單元負(fù)責(zé)檢測步進(jìn)電機(jī)相電流值，電 流檢測單元傳遞信號至恒流斬波單元，位置檢測單元負(fù)責(zé)檢測步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行位置，位置檢 測單元傳遞信號至主控單元。
[0008] 上述主控單元是DSP，DSP型號為TMS320F28 ;
[0009] DSP接收到外部的步進(jìn)電機(jī)選擇和正反轉(zhuǎn)信號后，在GPI0A 口上八位和GPI0B 口的 上四位輸出三臺步進(jìn)電機(jī)的相序信號，輸出順序依次為A、/A、B、/B ;相序信號輸出的是雙 四拍狀態(tài) AB-/AB一 /A/B一 A/B。
[0010] 上述恒流斬波單元控制繞組電流采用脈寬調(diào)制芯片SG3525 ;由繞組中反饋回來 的相電壓加到1腳反相輸入端，由AD7528轉(zhuǎn)換輸出的給定相繞組電壓信號加到2腳同相輸 入端；當(dāng)反饋值小于基準(zhǔn)值時，增大PWM波的占空比，從而增大繞組中流經(jīng)的電流；當(dāng)反饋 值大于基準(zhǔn)值時，減小PWM的占空比，減小繞組電流。
[0011] 上述功率驅(qū)動單元是DM0S全橋電機(jī)驅(qū)動器LMD18201芯片；當(dāng)要使步進(jìn)電機(jī)工作 在雙四拍方式時，則3腳、5腳均正常輸入，即5腳輸入PWM信號，而3腳輸入符號信號；。 當(dāng)符號信號為邏輯1時，表不電機(jī)正向轉(zhuǎn)動，邏輯〇表不電機(jī)反向轉(zhuǎn)動；5腳的PWM信號占 空比與負(fù)載電流大小成正比關(guān)系；一片LMD18201芯片為一相Η橋結(jié)構(gòu)，驅(qū)動一相步進(jìn)電機(jī) 繞組。
[0012] 上述電流檢測單元串接精密電阻，獲取與電流成比例關(guān)系的電壓值，經(jīng)過線性光 耦及其外圍電路濾波、線性放大后，作為恒流斬波單元的反相端輸入。
[0013] 主控芯片負(fù)責(zé)控制部分，接收外部的電機(jī)選擇和細(xì)分選擇信號以及插補(bǔ)信號，并 綜合外部信號對三個軸向的步進(jìn)電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的控制信號，如發(fā)送各軸向步進(jìn)電機(jī)的相序 信號、PWM波、細(xì)分值數(shù)字量、DA芯片的片選信號。邏輯合成單元中通過使用可編程邏輯器 件，把相序信號和PWM波進(jìn)行合成，生成帶斬波的相序信號。DA轉(zhuǎn)換單元則通過使用雙通 道的八位DA芯片，把由DSP發(fā)出的步進(jìn)電機(jī)兩相的細(xì)分值數(shù)字量轉(zhuǎn)換為細(xì)分功能所需要的 細(xì)分值模擬量，通過DSP發(fā)出的片選信號和寫信號來決定轉(zhuǎn)換哪一相的細(xì)分值。電流保護(hù) 單元中，通過取得采樣電阻上的電壓值跟基準(zhǔn)電壓值比較，當(dāng)超出基準(zhǔn)電壓時，停止系統(tǒng)工 作，用于保護(hù)電機(jī)和控制系統(tǒng)，使得相電流不超標(biāo)。功率驅(qū)動單元采用內(nèi)置兩個Η橋的高集 成度步進(jìn)電機(jī)控制專用驅(qū)動芯片來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，并且將DA轉(zhuǎn)換單元輸出的細(xì)分值模擬 量在驅(qū)動芯片中綜合，完成細(xì)分功能。
[0014] 針對多軸向步進(jìn)電機(jī)協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度高的特點(diǎn)，從數(shù)字化控制的角度 出發(fā)，提出了一種多軸向協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)構(gòu)架，給出了完整的系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)。以電流環(huán)和位 置環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，根據(jù)各軸向進(jìn)給原則和方法，將多軸向步進(jìn)電機(jī)集中協(xié)調(diào)控制， 可對加工過程進(jìn)行隨動響應(yīng)，以達(dá)到減小跟蹤誤差的目的。系統(tǒng)以數(shù)字控制芯片DSP為控 制核心，以步進(jìn)電機(jī)集成驅(qū)動模塊為輔助，采用上位機(jī)與控制系統(tǒng)協(xié)同工作的方式。所開發(fā) 的系統(tǒng)不僅有友好的人機(jī)交互界面，而且具有同步性高、穩(wěn)定性好、功能靈活等特點(diǎn)。
[0015] 細(xì)分技術(shù)是步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)當(dāng)中一項(xiàng)重要分支，它能有效地解決電機(jī)振動和噪 聲問題。但是當(dāng)處于高細(xì)分狀態(tài)時，電機(jī)每走過一整步需要與細(xì)分?jǐn)?shù)相應(yīng)的脈沖個數(shù)。在 進(jìn)行輪廓加工時，這就會影響插補(bǔ)速度。針對這個問題，系統(tǒng)采用了自適應(yīng)細(xì)分技術(shù)。系統(tǒng) 跟蹤誤差較大時，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行在整步或低細(xì)分狀態(tài)使其快速進(jìn)給，帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)迅 速減小誤差，提高伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度；在跟蹤誤差逐漸小的動態(tài)過程中，逐步提高電機(jī)的 細(xì)分?jǐn)?shù)，以改善系統(tǒng)的跟蹤精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是控制系統(tǒng)框圖；
[0017] 圖2是DSP信號輸出示意圖；
[0018] 圖3是恒流斬波接線圖；
[0019] 圖4是功率驅(qū)動原理圖；
[0020] 圖5是電流檢測原理圖；

【具體實(shí)施方式】
[0021] 為了便于理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的說 明。
[0022] 本控制系統(tǒng)主要分為五個單元：主控單元、恒流斬波單元、功率驅(qū)動單元、電流檢 測單元和位置檢測單元。在圖1中，由主控單元發(fā)出的控制信號流入到恒流斬波單元，此單 元可產(chǎn)生占空比在4%?96%之間變化的PWM脈沖波形。當(dāng)反饋減小時，輸出占空比增大， 進(jìn)而使功率管的導(dǎo)通時間增加，最終導(dǎo)致繞組電流的增加，反之，反饋增大，輸出占空比減 小，故減少了 M0SFET的導(dǎo)通時間，最終使得繞組電流減小，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)繞組的恒流控制；從 恒流斬波單元輸出的信號流入功率驅(qū)動單元，該單元采用全集成Η橋芯片，通過該單元驅(qū) 動步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行；電流檢測單元通過采樣電阻對步進(jìn)電機(jī)的相繞組電流進(jìn)行采樣，采樣 值反饋至橫流斬波單元；位置檢測通過安裝在步進(jìn)電機(jī)上的光電編碼器來檢測電機(jī)旋轉(zhuǎn)的 角度，從而檢測電機(jī)運(yùn)行的位置。采用正弦階梯均勻細(xì)分技術(shù)抑制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動，采 用建立統(tǒng)一的正弦細(xì)分表通過不同指針位移偏移量的方式來實(shí)現(xiàn)可變細(xì)分驅(qū)動。指數(shù)曲線 加減速過程，使在步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加（減）速時，應(yīng)使頻率的變化量逐次遞減（增），即采用變 頻加速度的方法，來保證輸出轉(zhuǎn)矩的變化量不變或均勻遞減（增）。
[0023] 本系統(tǒng)采用的控制核心為ΤΙ公司的DSP，選用TMS320F28系列。它負(fù)責(zé)輸出各軸 向步進(jìn)電機(jī)的相序信號、PWM波、八位的細(xì)分值數(shù)字量、DA芯片的片選信號，并且接受外部 的電機(jī)選擇、正反轉(zhuǎn)、細(xì)分值選擇及插補(bǔ)信號。在圖2中，當(dāng)DSP接收到外部的電機(jī)選擇和 正反轉(zhuǎn)信號后，在GPI0A 口上八位和GPI0B 口的上四位輸出三臺步進(jìn)電機(jī)的相序信號，輸出 順序依次為Α、/Α、Β、/Β ;相序信號輸出的是雙四拍狀態(tài)，即ΑΒ -/ΑΒ -/Α/Β - Α/Β。
[0024] 本控制系統(tǒng)具有斬波恒流功能，繞組電流控制采用脈寬調(diào)制芯片SG3525。該芯片 是一種性能優(yōu)良、功能全面及通用性強(qiáng)的集成PWM電壓控制芯片。本系統(tǒng)需要控制兩相步 進(jìn)電機(jī)繞組中的電流，單軸電機(jī)需2片SG3525,因每軸電機(jī)所用的功能相同，故下面以X軸 電機(jī)為例進(jìn)行說明。在圖3中，表明了 SG3525斬波恒流功能如何實(shí)現(xiàn)，由繞組中反饋回來 的相電壓加到1腳反相輸入端，由AD7528轉(zhuǎn)換輸出的給定相繞組電壓信號加到2腳同相輸 入端。當(dāng)反饋值小于基準(zhǔn)值時，增大PWM波的占空比，從而增大繞組中流經(jīng)的電流；當(dāng)反饋 值大于基準(zhǔn)值時，減小PWM的占空比，減小繞組電流。
[0025] 功率驅(qū)動單元選DM0S全橋電機(jī)驅(qū)動器LMD18201芯片。當(dāng)要使步進(jìn)電機(jī)工作在雙 四拍方式時，則3腳、5腳均正常輸入，即5腳輸入PWM信號，而3腳輸入符號信號。當(dāng)符號信 號為邏輯1時，表不電機(jī)正向轉(zhuǎn)動，反之，邏輯〇則表不電機(jī)反向轉(zhuǎn)動。而5腳的PWM信號， 其占空比與負(fù)載電流大小成正比關(guān)系。一片LMD18201為一相Η橋結(jié)構(gòu)，可驅(qū)動一相步進(jìn)電 機(jī)繞組，因此驅(qū)動兩相步進(jìn)電機(jī)需要兩片芯片。以其中一相繞組驅(qū)動為例，在圖4中，在1、2 腳和10、11腳之間接兩個自舉電容，使柵壓上升時間典型值為100ns以下，允許開關(guān)工作頻 率達(dá)500kHz。同時，過溫保護(hù)信號（9腳）接DSP的I/O 口，作為外部中斷輸入。LMD18201 接收DSP的相序信號DIRA，完成電機(jī)運(yùn)行時兩相繞組電流的方向換向，并接收SG3525的斬 波信號PWM，實(shí)現(xiàn)每相繞組中電流的正弦階梯波形跟隨，完成恒流驅(qū)動。如果需要制動電機(jī)， 可通過改變BREAK輸入端電平狀態(tài)進(jìn)行控制。在8腳串接一個電阻，供采樣相繞組電流所 用。
[0026] 電流檢測電路為斬波恒流驅(qū)動電路提供電流實(shí)時反饋，其采樣精度和采樣速率直 接影響了系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)采用繞組串電阻的方法獲取電流大小。在圖5中，可見通過串 接精密電阻，獲取與電流成比例關(guān)系的電壓值，并經(jīng)過線性光耦及其外圍電路濾波、線性放 大后，作為SG3525的反相端輸入。
【權(quán)利要求】
1. 一種3D打印中的步進(jìn)電機(jī)控制電路，其特征在于：所述控制電路包括主控單元、恒 流斬波單元、功率驅(qū)動單元、電流檢測單元以及位置檢測單元； 主控單元產(chǎn)生相序信號，輸入到恒流斬波單元與PWM波合成，將合成后的相序信號輸 入至功率驅(qū)動單元從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)；電流檢測單元負(fù)責(zé)檢測步進(jìn)電機(jī)相電流值，電流檢 測單元傳遞信號至恒流斬波單元，位置檢測單元負(fù)責(zé)檢測步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行位置，位置檢測單 元傳遞信號至主控單元。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D打印中的步進(jìn)電機(jī)控制電路，其特征在于：所述主控單元 是 DSP，DSP 型號為 TMS320F28 ; DSP接收到外部的步進(jìn)電機(jī)選擇和正反轉(zhuǎn)信號后，在GPIOA 口上八位和GPIOB 口的上四 位輸出三臺步進(jìn)電機(jī)的相序信號，輸出順序依次為A、/A、B、/B ;相序信號輸出的是雙四拍 狀態(tài) AB -/AB-/A/B-A/B。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的3D打印中的步進(jìn)電機(jī)控制電路，其特征在于：所述恒流斬波 單元控制繞組電流采用脈寬調(diào)制芯片SG3525 ;由繞組中反饋回來的相電壓加到1腳反相輸 入端，由AD7528轉(zhuǎn)換輸出的給定相繞組電壓信號加到2腳同相輸入端；當(dāng)反饋值小于基準(zhǔn) 值時，增大PWM波的占空比，從而增大繞組中流經(jīng)的電流；當(dāng)反饋值大于基準(zhǔn)值時，減小PWM 的占空比，減小繞組電流。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的3D打印中的步進(jìn)電機(jī)控制電路，其特征在于：所述功率驅(qū) 動單元是DMOS全橋電機(jī)驅(qū)動器LMD18201芯片；當(dāng)要使步進(jìn)電機(jī)工作在雙四拍方式時，則3 腳、5腳均正常輸入，即5腳輸入PWM信號，而3腳輸入符號信號；當(dāng)符號信號為邏輯1時， 表不電機(jī)正向轉(zhuǎn)動，邏輯〇表不電機(jī)反向轉(zhuǎn)動；5腳的PWM信號占空比與負(fù)載電流大小成正 比關(guān)系；一片LMD18201芯片為一相Η橋結(jié)構(gòu)，驅(qū)動一相步進(jìn)電機(jī)繞組。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的3D打印中的步進(jìn)電機(jī)控制電路，其特征在于：所述電流檢測 單元串接精密電阻，獲取與電流成比例關(guān)系的電壓值，經(jīng)過線性光耦及其外圍電路濾波、線 性放大后，作為恒流斬波單元的反相端輸入。
【文檔編號】H02P8/14GK203872095SQ201420268181
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年5月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月23日
【發(fā)明者】王帥夫, 李樂堯, 劉廣森, 趙科研, 梁偉, 梁潔 申請人:岳陽巔峰電子科技有限責(zé)任公司