本发明涉及一种驱动器，尤其是一种步进电机驱动器。
背景技术：
现阶段随着对电火花线切割机床精度要求的提高，原先采用精度较低的反应式步进电机的XYUV四轴运动控制已经无法满足要求，现在的厂家先后推出了基于细分驱动的高精度混合式步进电机的四轴运动控制，混合式步进电机必须要有与其配套的相应驱动器，但现有的通用混合式驱动器使用在线切割机床上时，主要存在两个问题：其一，信号接口不匹配问题。现有成熟的线切割控制系统，比如应用最广的单板机系统、HL、AutoCut等基于PC机的板卡系统，其XYUV四轴运动控制接口都是五相十拍或三相六拍的步进电机环形分配信号输出；对于三相六怕，其控制系统输出A、B、C三个信号，通过A-AB-B-BC-C-CA-A信号的一系列循序组合来控制步进电机运转，适配于原先的反应式步进电机驱动电路；对于混合式步进电机驱动器，由于电机结构不同，一般需要专业的驱动器，其采用通用伺服驱动器的接口模式，即使能、方向和脉冲3个信号；这样造成现有的通用混合式步进电机驱动器与现有的线切割控制系统无法对接，要实现对接必须开发新的线切割控制系统，存在开发难度大、成熟度和稳定性又需要进过市场的长时间检验等问题。其二、每次驱动器通电时步进电机的重定位问题：因混合式步进电机采用细分驱动，电机单圈步进分辨率高，可以省去原先反应式步进电机一直在使用的减速齿轮，XYUV四轴采用电机和丝杠直接连轴驱动，简化了机械结构，但带来问题是，由于丝杠对轴直连，电机轻微的抖动或偏转都会带来丝杠的位移，造成加工误差。通用混合式步进电机驱动器在每次通电被使能时，会对步进电机重新定位，由于混合式步进电机的转子采用永磁体结构，拥有转子磁场，当驱动器重新定位时，会给步进电机定子线圈施加电流，产生定子磁场，由于定子和转子两个磁场的角度可能不同，则会造成转子的轻微转动，结果就是电机轴偏离了原先的角度，这样如上所述会造成丝杠位移，带来加工误差。但是线切割加工周期一般比较长，在工件加工过程中难免会遇到需要关闭机床电源的时候，当再次通电工作时，就会造成驱动器对电机重新定位的情况，再这种情况下如果继续加工，会造成工件尺寸偏差，重则造成工件加工报废。
由于存在上述两个问题，现有方案一般是开发了新的线切割控制系统，通过软件和硬件电路的更改，去除原先五相十拍或三相六怕的环形分配信号，产生使能、方向和脉冲3个信号以适应驱动器信号匹配需求。对于驱动器每次通电时的重新定位问题，一般是采用光栅尺的全闭环方案，线切割控制系统通过光栅尺检测每次通电重定位时机床丝杠产生的位移，再来控制驱动器带动步进电机运作，消除通电时产生的丝杠位移。此方案一方面需要开发新的线切割控制系统，控制系统是线切割机床的核心，其包括图形编辑、轨迹跟踪、运动插补等重要环节，新系统的稳定性和实用性需要进过市场长时间的检验，市场推广存在难度。另一方面，通过安装价格昂贵的光栅尺来解决步进电机重新定位问题，存在成本较高的问题。
技术实现要素：
本发明针对现有技术中的不足，提供了一种线切割机床专用混合式步进电机驱动器，本发明在不改变现有线切割控制系统的基础上通过对五相十拍或三相六拍信号的译码实现对步进电机的使能和正反转控制，同时通过对细分角度的断电保存控制，实现再通电时电机轴不偏离停机时的角度。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：一种线切割机床专用混合式步进电机驱动器，包括信号译码模块、细分角度计算模块、力矩PID控制器、励磁PID控制器、反PARK变换模块，PARK变换模块、PWM输出模块、H桥逆变电路和断电检测模块；其中，信号译码模块将接收到的线切割控制系统信号转变成步进计数值发送至细分角度计算模块，细分角度计算模块根据步进计数值得出细分角度增量Δθ并计算出细分角度θ，随后将细分角度θ发送至反PARK变换模块、PARK变换模块和断电检测模块，PARK变换模块根据步进电机的A、B两相电流IA、IB以及细分角度分别向力矩PID控制器和励磁PID控制器输出力矩电流Iq、励磁电流Id，此时力矩PID控制器和励磁PID控制器分别得到的力矩电压Uq和励磁电压Ud，力矩电压Uq和励磁电压Ud通过反PARK变换模块后向PWM输出模块输出Uα电压信号和Uβ电压信号，PWM输出模块向H桥逆变电路输出脉宽调制PWM信号控制步进电机的A、B两相绕组；
断电后，断电检测模块自动保存当前细分角度θ，当下次来电后，将上次断电前细分角度θ发送至细分角度计算模块，细分角度计算模块根据上次细分角度θ和此次信号译码模块发送的步进计数值的基础上计算出本次细分角度θ，此时上次结束前与本次开始时输入到PWM输出模块上的Uα电压信号和Uβ电压信号连续。
上述技术方案中，优选的，所述的线切割控制系统信号为五相十拍信号或三相六拍信号。
上述技术方案中，优选的，细分角度计算模块根据公式：Δθ=360÷细分数，计算出细分角度增量Δθ，然后根据转向让先前细分角度θ加上或减去Δθ得出现在细分角度θ。
上述技术方案中，优选的，所述的力矩PID控制器具有力矩给定电流Iq_s，力矩给定电流Iq_s决定电机的扭矩，其值越大电机扭矩越大，所述力矩PID控制器根据力矩给定电流Iq_s和力矩电流Iq调节输出力矩电压Uq。
上述技术方案中，优选的，所述的励磁PID控制器具有励磁给定电流Id_s，当步进电机的转子为永磁体时不需要励磁，因此Id_s为0，所述的励磁PID控制器根据励磁给定电流Id_s和励磁电流Id调节输出励磁电压Ud。
上述技术方案中，优选的， IA、IB两相电流相位相差90度，经过所述PARK变换模块变换后输出基于同步旋转坐标系的励磁电流Id和力矩电流Iq，变换的同步旋转角为细分角度θ，其公式为：Id = IA * COSθ+ IB * SINθ和Iq = -IA * SINθ+ IB * COSθ。
上述技术方案中，优选的，反PARK变换模块将力矩电压Uq和励磁电压Ud经过基于细分角度θ的变换后输出两相静止坐标系的Uα电压信号和Uβ电压信号，Uα电压信号和Uβ电压信号电压相位相差90度，且分别控制步进电机的A和B两相定子绕组，反PARK变换公式为 Uα = Ud * COSθ- Uq * SINθ和 Uβ = Ud * SINθ+ Uq * COSθ。
上述技术方案中，优选的，Uα电压信号和Uβ电压信号分别经过不同的PWM输出模块转换为PWM信号，其中每路PWM信号又包括两路180度互补的脉宽调制PWM子信号，PWM子信号包括互补的PWM1信号和PWM2信号以及互补的PWM3信号和PWM4信号，H桥逆变电路包括两组分别控制步进电机A、B两相绕组的H桥子电路，PWM1信号和PWM2信号驱动其中一组H桥子电路，PWM3信号和PWM4信号驱动另外一组H桥子电路。
上述技术方案中，优选的，H桥逆变电路采用双极性调制方式控制步进电机，当Uα和Uβ为0时，脉宽调制PWM信号的占空比为50%；当Uα和Uβ大于0时，占空比大于50%，电机绕组电压为正；当Uα和Uβ小于0时，占空比小于50%，电机绕组电压为负，在步进电机的A、B两相绕组中形成相位相差90度的正弦电流。
本专利所述的线切割机床专用混合式步进电机驱动器，其要由信号译码模块、细分角度计算模块、力矩PID控制器、励磁PID控制器、反PARK变换模块，PARK变换模块、PWM输出模块、H桥逆变电路和断电检测模块组成。信号译码模块接收由线切割控制系统（比如单板机）发出的五相十拍（A\B\C\D\E）或三相六拍(A\B\C)信号，对信号进行译码，分别计算得到所需的步进计数值和生成使能信号。以三相六拍为例，其3路信号A、B、C，当线切割系统进给打开时（即开始加工），当电机正转时A、B、C 3路信号将按照100、110、010、011、001、101、再100的顺序依次输出6个状态（1为有效、0为无效），当电机反转时3路信号将按照正转时的逆序输出6个状态。信号译码模块通过检测6个状态的变化顺序来确定线切割系统发出的电机旋转方向，同时通过状态变化的次数来生成步进电机应该步进的步数，方向为正时，状态每变化一次步进计数值加1，方向为反时，状态每变化一次步进计数值减1，因此步进计数值是可正可负的有符号数值。同时当线切割系统进给关闭时（即停止加工），A、B、C 3路信号将不输出，全部无效，变成000。当3路信号含有有效信号时代表驱动器应该工作驱动步进电机，当3路信号全部为无效时驱动器应该停止工作，即可以通过对3路信号是否含有有效信号来确定生成使能信号。同理五相十拍也可以这样译码。细分角度计算模块，其接收由信号译码模块生成的步进计数值，判断步进计数值不等于0时，其输出的细分角度θ根据步进计数值的正负，加上或减去Δθ（细分角度增量）。Δθ（细分角度增量）由步进电机所需的细分数决定，Δθ=360÷细分数。力矩PID控制器、励磁PID控制器，反PARK变换模块，PARK变换模块和PWM输出模块行成了步进电机的电流矢量细分驱动控制算法，基于矢量控制的步进电机细分驱动，其有电机力矩平稳，电机电流正弦度高，电机运行噪音低等特点。断电检测模块实时检测驱动器的电源供电，当检测到断电时，自动保存电机当前的细分角度θ到驱动器内部存储芯片，当下次来电时，读取存储芯片保存的上次细分角度θ数据，送给细分角度计算模块，细分角度θ将在上次的基础上计算，这样保证输出到电机上的电压Uα和Uβ是连贯的，不存在电压相位的跳变，就能避免电机重新定位。
本方案可以实现与现有通用线切割系统的完全对接，使用时只需把原先采用反应式步进电机和及其驱动电路拆除，更换上本专利所述的驱动器以及混合式步进电机就可以工作，线切割控制系统保持不变，人机操作习惯不变，利于市场推广。本专利通过检测驱动器电源，当检测到断电时，自动保存电机当前的细分角度θ到驱动器内部存储芯片，当下次来电时，读取存储芯片保存的上次细分角度θ数据，驱动器再次被使能运行时，将从上次细分角度θ开始旋转，保证步进电机的定子和转子的角度相同，这样就能避免电机重新定位。
与现有技术相比，本发明在不改变现有线切割控制系统的基础上通过对五相十拍或三相六拍信号的译码实现对步进电机的使能和正反转控制，同时通过对细分角度的断电保存控制，实现再通电时电机轴不偏离停机时的角度。
附图说明
图1是本发明信号传输示意图。
图2是本发明控制步进电机的A 绕组的H桥子电路内部俯视示意图。
图3是本发明控制步进电机的B 绕组的H桥子电路内部俯视示意图。
图4是本发明细分角度计算模块控制流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：如图1至图4所示，一种线切割机床专用混合式步进电机驱动器，包括信号译码模块1、细分角度计算模块2、力矩PID控制器3、励磁PID控制器4、反PARK变换模块5，PARK变换模块6、第一PWM输出模块7、第二PWM输出模块8、H桥逆变电路9和断电检测模块10。
其中，信号译码模块1将接收到的线切割控制系统信号转变成步进计数值发送至细分角度计算模块2，其具体换算为信号译码模块1接收由线切割控制系统（比如单板机）发出的五相十拍（A\B\C\D\E）或三相六拍(A\B\C)信号，对信号进行译码，分别计算得到所需的步进计数值和生成使能信号。以三相六拍为例，其3路信号A、B、C，当线切割系统进给打开时（即开始加工），当电机正转时A、B、C 3路信号将按照100、110、010、011、001、101、再100的顺序依次输出6个状态（1为有效、0为无效），当电机反转时3路信号将按照正转时的逆序输出6个状态。信号译码模块1通过检测6个状态的变化顺序来确定线切割系统发出的电机旋转方向，同时通过状态变化的次数来生成步进电机应该步进的步数，方向为正时，状态每变化一次步进计数值加1，方向为反时，状态每变化一次步进计数值减1，因此步进计数值是可正可负的有符号数值。同时当线切割系统进给关闭时（即停止加工），A、B、C 3路信号将不输出，全部无效，变成000。当3路信号含有有效信号时代表驱动器应该工作驱动步进电机，当3路信号全部为无效时驱动器应该停止工作，即可以通过对3路信号是否含有有效信号来确定生成使能信号。同理五相十拍也可以这样译码。
细分角度计算模块2根据步进计数值得出细分角度增量Δθ并计算出细分角度θ，细分角度计算模块根据公式：Δθ=360÷细分数，计算出细分角度增量Δθ，然后根据转向让先前细分角度θ加上或减去Δθ得出现在细分角度θ。随后细分角度计算模块2将细分角度θ发送至反PARK变换模块5、PARK变换模块6和断电检测模块10，PARK变换模块6根据步进电机的A、B两相电流IA、IB以及细分角度分别向力矩PID控制器3和励磁PID控制器4输出力矩电流Iq、励磁电流Id，IA、IB两相电流相位相差90度，经过所述PARK变换模块6变换后输出基于同步旋转坐标系的励磁电流Id和力矩电流Iq，变换的同步旋转角为细分角度θ，其公式为：Id = IA * COSθ+ IB * SINθ和Iq = -IA * SINθ+ IB * COSθ。所述的力矩PID控制器3具有力矩给定电流Iq_s，力矩给定电流Iq_s决定电机的扭矩，其值越大电机扭矩越大，所述力矩PID控制器3根据力矩给定电流Iq_s和力矩电流Iq调节输出力矩电压Uq。所述的励磁PID控制器4具有励磁给定电流Id_s，当步进电机的转子为永磁体时不需要励磁，因此Id_s为0，所述的励磁PID控制器4根据励磁给定电流Id_s和励磁电流Id调节输出励磁电压Ud。
反PARK变换模块5将力矩电压Uq和励磁电压Ud经过基于细分角度θ的变换后输出两相静止坐标系的Uα电压信号和Uβ电压信号，Uα电压信号和Uβ电压信号电压相位相差90度，且分别控制步进电机的A和B两相定子绕组，反PARK变换公式为 Uα = Ud * COSθ- Uq * SINθ和 Uβ = Ud * SINθ+ Uq * COSθ。Uα电压信号和Uβ电压信号分别经过第一PWM输出模块7和第二PWM输出模块8转换为PWM信号，其中每路PWM信号又包括两路180度互补的脉宽调制PWM子信号，PWM子信号包括互补的PWM1信号和PWM2信号以及互补的PWM3信号和PWM4信号，PWM1信号和PWM2信号由第一PWM输出模块7输出，PWM3信号和PWM4信号由第二PWM输出模块8输出。H桥逆变电路9包括两组分别控制步进电机A、B两相绕组的H桥子电路，PWM1信号和PWM2信号驱动其中一组H桥子电路，PWM3信号和PWM4信号驱动另外一组H桥子电路。H桥逆变电路9采用双极性调制方式控制步进电机，当Uα和Uβ为0时，脉宽调制PWM信号的占空比为50%；当Uα和Uβ大于0时，占空比大于50%，电机绕组电压为正；当Uα和Uβ小于0时，占空比小于50%，电机绕组电压为负，在步进电机的A、B两相绕组中形成相位相差90度的正弦电流。
断电后，断电检测模块10自动保存当前细分角度θ，当下次来电后，将上次断电前细分角度θ发送至细分角度计算模块2，细分角度计算模块2根据上次细分角度θ和此次信号译码模块1发送的步进计数值的基础上计算出本次细分角度θ，此时上次结束前与本次开始时输入到PWM输出模块上的Uα电压信号和Uβ电压信号连续。