专利名称：细分步进电机闭环控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及步进电机控制装置，具体为细分步进电机闭环控制器。
背景技术：
步进电机被广泛地应用在许多精密运动机构中，如，微型数控机床等，完成系统的 精密控制功能，要想实现此功能，必须对步进电机采取细分控制。 全数字细分型高精度步进电机控制器(专利CN 1452312A，发明人张建勋、安 刚、李彬、王树新、新铁罗)，描述了一种基于高速单片微处理器为控制核心单元，配备步进 电机控制接口电路、功率放大电路和主计算机的异步串行通讯、同步串行通讯接口电路组 成的步进电机控制器。控制器接收标准的TTL电平逻辑控制信号，作为步进电机的控制信 号，并与上层控制电路实现了全部的光电隔离。适用于具有高精度、超低速运动控制要求的 系统中。其特点是通过光电隔离电路实现了与主计算机的信号的隔离作用，提高了控制器 的抗干扰能力；中央处理单元接收到运动信号脉冲、方向脉冲时，从内置的数据表中查出步 进电机定子两相绕组的电流给定值，结合经滤波放大、模-数转换后的步进电机两相电流 反馈值，经电流控制器计算后，输出形式的控制量，利用P丽调节器、H桥式功率放大器，实 现对步进电机的驱动。上述专利描述的控制器具有如下不足(l)如果控制系统在偶遇外 力的情况下，只能向主计算机反馈状态信号，通过上层控制单元实施对步进电机的控制，而 不能由控制器本身智能的进行调节，以解除外力的干扰；(2)对于微型控制系统，有时需进 行手动操作，该控制器没有相应功能；(3)没有适时的位置显示。
发明内容本实用新型为了解决现有细分步进电机控制器存在的不足，即不能由控制器本身 智能的进行调节，以解除外力的干扰，以及没有手动操作功能，没有适时的位置显示，提供 一种细分步进电机闭环控制器。该控制器适时反馈步进电机运动状态，进行记忆，实现闭环 控制，同时具备数码管显示当前坐标值，进行清零操作、分中操作、手动操作、解除手动操作 等功能，并在解决手动操作后，可以保证步进电机复位等功能。 本实用新型是采用如下技术方案实现的细分步进电机闭环控制器，包括中央处 理器，中央处理器的部分信号输入端连接有光耦隔离电路，一个信号输出端连接有光耦隔 离电路，还包括增量编码器或光栅电子尺，增量编码器或光栅电子尺的A相输出信号和B相 输出信号经光耦隔离电路与中央处理器的信号输入端相连。中央处理器的信号输入端连接 有控制按键装置和自复位按键。中央处理器的信号输出端连接有数码显示输出电路。本实 用新型设计了一个位置反馈控制系统，由使用时连接在步进电机拖动的运动机构上的能够 输出两相呈90度信号的增量式编码器或光栅电子尺、光耦隔离电路构成。增量式编码器适
合于角度位置的反馈、光栅电子尺适合于直线位置的反馈。经增量式编码器或光栅电子尺 采集的A、B相位置信号，通过光耦隔离电路传输到中央处理器，从中分辨出步进电机的方
向信号，实现步进电机的控制中的位置闭环。通过控制按键装置使步进电机控制器能够进入手动操作，进入手动后可以对运动机构进行手动操作。通过设置的数码显示输出电路，适 时显示步进电机拖动的运动机构的位置坐标。 本实用新型所述的细分步进电机闭环控制器具有如下有益效果1、通过增设增量 式编码器或光栅电子尺实现了细分步进电机控制器的闭环控制，即可以在步进电机受外力 堵转后，自动尝试改变步进电机转速，当以任何速度都无法再启动电机时，才发出严重错误 警报，并对外输出电流供上机位响应。2、本实用新型增设了控制按键装置和自复位按键，可 以实现控制器对步进电机的分中、清零、手动、手动解除操作。3、本实用新型可以通过数码 显示输出电路，适时显示步进电机拖动的运动机构的位置坐标。
图1为本实用新型所述的细分步进电机闭环控制器的电路原理图； 图2为本实用新型所述的细分步进电机闭环控制器的一种具体电路原理图； 图中1-上位机脉冲信号，2-上位机方向信号，3-使能信号，4-A相信号，5-B相信 号，6、7、8、9、10、11-光耦隔离电路，13-自复位按键，15-中央处理器，16-数码显示输出电 路，18-细分步进电机驱动器，19-步进电机。
具体实施方式细分步进电机闭环控制器，包括中央处理器15，中央处理器15的部分信号输入端 连接有光耦隔离电路7、8、9， 一个信号输出端连接有光耦隔离电路6，还包括增量编码器或 光栅电子尺，增量编码器或光栅电子尺输出的A相信号4和B相信号5分别经光耦隔离电 路10、11与中央处理器15的信号输入端相连。中央处理器15的信号输入端连接有由四个 按键组成的控制按键装置20和自复位按键13。中央处理器15的信号输出端连接有数码 显示输出电路16。具体实施时，如附图2所示，所述的光耦隔离电路采用光电隔离器(也 称光电耦合器，简称光耦)。如图2所示，本控制器输入/输出均为差分端口，可以适应共 阳或共阴的接法。使用时，增量编码器或光栅电子尺安装固定于步进电机驱动的运动机构 上，以检测运动机构的位置信号，增量式编码器适合于角度位置的检测，光栅电子尺适合于 直线位置的检测。中央处理器15连接有光耦隔离电路7、8、9的输入端与上位机(主计算 机)的运行命令信号，即上位机发出的TTL电平的差分信号——脉冲信号1、方向信号2、使 能信号3相连。中央处理器15连接有光耦隔离电路的一个输出端与上位机相连，用于向上 位机传输控制器的状态输出信号，中央处理器的输出端还与细分步进电机驱动器18相连。 中央处理器，根据应用环境的精度要求、使用的步进电机的不同(二相、三相、五相)、以及 细分驱动器的设置，预先设置编码器的软件细分数、编码器线数、细分步进电机驱动器的每 转脉冲数、以及步进电机负载工作状态时的直接启动转速、最高转速。 工作时，控制器的中央处理器15通过光耦隔离电路7、8、9从上位机接收TTL电平 的差分信号——脉冲信号1、方向信号2、使能信号3，将其输入中央处理器15 ;通过光耦隔 离电路10、11接收呈90度角的位置反馈信号——增量编码器或光栅电子尺输出的A相信 号、B相信号，将其传输至中央处理器单元15 ;中央处理器15在其内相应软件的支持下，调 用内存预设的编码器软件细分数、增量式编码器(或光栅电子尺)的线数(分辩率)、细分 步进电机驱动器每转脉冲数、步进电机负载工作状态时的直接启动转速、最高转速，结合上述信号进行分析运算，向细分步进电机驱动器18输出TTL差分控制信号——脉冲信号、方
向信号、使能信号，通过细分步进电机驱动器18实现对步进电机19的运动控制。 当步进电机受外力堵转后，增量式编码器(或光栅电子尺)检测步进电机驱动的
运动机构的位置信号，通过光耦隔离单元10、11反馈到中央处理器15，中央处理器15在相
应软件支持下自动尝试改变步进电机转速，当以任何速度都无法再启动电机时，会发出严
重错误警报，此时数码显示输出电路16闪烁显示"Error",并且蜂鸣器发出警告音，同时对
外输出电流供上机位响应。此时可以通过从光电隔离电路端口关闭全能，解除警报状态，再
检查机械及电气系统的错误。 控制按键装置20共有4个按键组成，分别是"手动(Up)"、"移动到零(Down)"、"清 零(Enter)"、"分中(Back)"。进行系统预设时，四个按键分别对应"Up(向上)"、"Down(向 下)"、"Enter (确定)"、"Back(返回)"四种功能。当控制器处于正常工作状态时，控制按 键装置4个按键"手动(Up)"、"移动到零(Down)"、"清零(Enter)"、"分中(Back)"，分别对 应"手动"、"移动零位(解除手动)"、"清零"、"分中"四个功能。按"手动"按键，控制器将 关闭步进电机使能，电机将掉电并处于自由的状态下，此时可以通过手轮操作运动机构，但 编码器会继续跟踪并更新显示坐标值，即控制器可以从光耦隔离电路10、11采集增量编码 器(或光栅电子尺)A/B相信号4、5，自动记录、显示当前位置下步进电机拖动的运动机构的 位置变化，此时控制器作为数显屏使用，此时可以进行"清零"和"分中"操作。进入手动工 作状态后，按"移动到零"，将解除手动，步进电机控制器将启动步进电机使能，如果此时接 通外接自复位按键13给中央处理器单元15以电信号，中央处理器15输出电信号，步进电 机控制器，将带到运动机构恢复手动前的坐标位置。当控制器处于正常工作状态时，按"移 动到零"按键，步进电机将拖动运动机构运行到控制器当前的坐标位置。按"清零"按键，显 示坐标值将全部清零，按"分中"按键，当前显示坐标值将会除以2后再显示。 中央处理器15输出步进电机运动状态信号，通过光耦隔离电路6实现与上位机的 适时通讯。 步进电机闭环控制器的TTL差分信号输出后，通过选用现有的细分步进电机驱动 器内置的光耦隔离电路，实现与细分驱动器的隔离。
权利要求一种细分步进电机闭环控制器，包括中央处理器(15)，中央处理器(15)的部分信号输入端连接有光耦隔离电路(7、8、9)，一个信号输出端连接有光耦隔离电路(6)，其特征为还包括增量编码器或光栅电子尺，增量编码器或光栅电子尺输出的A相信号(4)和B相信号(5)分别经光耦隔离电路(10、11)与中央处理器(15)的信号输入端相连。
2. 如权利要求l所述的细分步进电机闭环控制器，其特征为中央处理器(15)的信号 输入端连接有由四个按键组成的控制按键装置(20)。
3. 如权利要求2所述的细分步进电机闭环控制器，其特征为中央处理器(15)的信号 输入端连接有自复位按键(13)。
4. 如权利要求1或2或3所述的细分步进电机闭环控制器，其特征为中央处理器(15) 的信号输出端连接有数码显示输出电路(16)。
专利摘要本实用新型涉及步进电机控制装置，具体为细分步进电机闭环控制器。解决现有细分步进电机控制器存在不能由控制器本身智能的进行调节，以解除外力的干扰，以及没有手动操作功能，没有适时的位置显示等问题。包括中央处理器，中央处理器的部分信号输入端连接有光耦隔离电路，一个信号输出端连接有光耦隔离电路，还包括增量编码器或光栅电子尺，增量编码器或光栅电子尺的A相输出信号和B相输出信号经光耦隔离电路与中央处理器的信号输入端相连。中央处理器的信号输入端连接有控制按键装置和自复位按键。中央处理器的信号输出端连接有数码显示输出电路。该控制器实现闭环控制，同时具备手动操作功能，并可以保证步进电机复位。
文档编号H02P8/00GK201536338SQ200920254640
公开日2010年7月28日 申请日期2009年11月19日 优先权日2009年11月19日
发明者卢海兵, 梁世红, 邢学锋, 陈亚楠 申请人:太原超禹科贸有限公司