专利名称：一种双路步进电机控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种运动控制装置，特别涉及具有CAN总线接口的一种双路步进电机控制器。
背景技术：
步进电机广泛应用于数控机床、医疗器械、仪表仪器等自动或半自动设备。十字滑架、XY移动操作台、双轴稳定平台等应用时需要进行二自由度的运动控制，采用双路步进电机驱动控制是一种实现简便、高性价比的解决方案。工业上通常作法是采用PLC控制器和步进电机驱动模块。现有采用PLC的双路步进电机控制系统由PLC控制器、两个步进电机驱动PLC模块和两个步进电机组成。在PLC控制器进行两个自由度运动控制算法，将各个自由度运动 所需参数输出到两个步进电机驱动PLC控制模块，步进电机驱动PLC模块根据接收到的运动控制指令驱动步进电机运动。采用PLC控制器、步进电机驱动PLC模块进行双路步进电机控制，成本高，购买一块步进电机PLC模块需要几千元。另外，PLC对工业布置有一定的限制，体积大，需要专门的控制柜布置或安装卡槽，布置上受限制。采用统一标准的总线结构容易在不同设备间实现互连，以便扩充部件和设备。CAN,全称为“Controller Area Network”,即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN是一种多主方式的串行通讯总线，具有高的位速率、高抗电磁干扰性。CAN与传统的并行总线系统相比，主控制器与各个外围器件或从器件之间的传输线很少，只有两条信号，分别被称为“CAN_H”和“CAN_L”，并且抗干扰能力强，速度快，易实现系统扩展和实现模块化标准化设计。然而，现有步进电机的驱动控制器接口，多是采用并口或SCI、RS232总线，因而在需要扩展多个自由度运动控制的情况下，要占用多个主控制器器接口，在主控制器输入输出接口有限情况下，还必须外加扩展器件，导致成本增加。如申请号为201020273151. I，申请日为2010年7月28日，名称为“用于压板机的多个步进电机控制系统”的实用新型专利，其技术方案为一种用于压板机的多个步进电机控制系统，其特征是该系统由PC机和多个电机控制驱动节点组成，它们均由CAN总线相连；每个电机控制驱动节点由一个电机控制器和与之相连的多个电机驱动器组成，一个电机控制器同时控制多个步进电机。上述对比专利文件也是通过CAN总线结构实现一个电机控制器控制多个步进电机，但是专利文件描述的是个由基于PC和步进电机控制器及驱动模块构成的系统，其缺点在于，是特定多步进电机驱动应用场景下的常见的系统解决方案，需要多个设备构成，其运动控制精度及控制要求不高，技术增值不高。
发明内容本实用新型的要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提出一种可以节省成本和空间的、易于扩展集成的，基于CAN总线的一种双路步进电机控制器。为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下一种双路步进电机控制器，包括控制模块和与之连接的驱动模块，其特征在于控制模块包括CAN接口、DSP控制器以及控制侧电机控制总线接口，DSP控制器一端通过CAN接口与上位机信号连通，DSP控制器另一端与控制侧电机控制总线接口信号连通； 驱动模块包括驱动侧电机控制总线接口、光耦隔离电路、功率驱动电路、电机接口以及信号反馈电路，驱动侧电机控制总线接口一端与控制侧电机控制总线接口相连，另一端通过光耦隔离电路与功率驱动电路相连，功率驱动电路的功率输出端经过电机接口连接到步进电机，功率驱动电路的反馈输出端经过信号反馈电路连接驱动侧电机控制总线接□。进一步的，所述控制侧电机控制总线接口、驱动侧电机控制总线接口、光耦隔离电 路、功率驱动电路、电机接口以及信号反馈电路各设置有两组，每个电机接口连接一个步进电机。进一步的，所述控制侧电机控制总线接口与驱动侧电机控制总线接口具有统一接口定义。统一接口定义指接口包含的各信号组成、功能定义、接口位置排布。进一步的，双路步进电机控制器通过多主方式串行总线CAN接口与上位机信号连通。本实用新型的优点在于I、本实用新型是一个集成双路步进电机控制和驱动的设备，可以不需要其他设备就可以驱动控制两路步进电机构成一个2自由度的移动系统，也可以与和PLC以及任何具有对应CAN通讯接口的控制设备集成。2、代替了现有的PLC控制器和两个步进电机驱动PLC模块，本控制器集成了两个步进电机运动控制及功率驱动，对于一般的二自由度运动控制平台应用需求可以单设备解决，单器件实现二自由度运动控制。两路步进电机控制和驱动高度集成，一个设备就可以解决2自由度运动控制问题，而2自由度运动控制在工业控制方面最为常见。3、与上位机通讯采用多主方式串行总线CAN接口，易于系统扩展集成。4、该控制器采用模块化设计，分为控制模块和驱动模块，控制模块进行上位机通讯及运动控制，驱动模块进行数字控制信号放大驱动及步进电机工作电流电压模拟量检测反馈，采用模块化设计方法，定义了标准电机控制总线，提高系统的可靠性及灵活性。5、本控制器以DSP处理器为控制核心，配备相电流、工作电流检测反馈电路，实现双路的步进电机高细分驱动，和速度、电流的闭环控制。采用高细分控制驱动，低速驱动更为平顺，控制精度更高。6、满足统一定义的电机控制总线接口需求的控制模块和驱动模块具有互换性，SP同一个控制模块可以连接不同的驱动模块，实现对不同功率、不同类型步进电机的驱动。7、本实用新型控制器基于CAN接口、高细分驱动、两路步进电机驱动控制器(包含控制和功率驱动的高度集成、集成度高、体积小、精度高、易携带、成本低的优点。
图I是本实用新型实施的双路步进电机控制器应用示意图。[0024]图2是本实用新型实施的双路步进电机控制器的结构框图。图3是本实用新型实施的双路步进电机控制器的工作原理示意图。图4是本实用新型实施的模块连接示意图。图中I电机控制器、2步进电机、3上位机、11控制模块、12驱动模块、IllCAN接口、112 DSP控制器、113电机控制总线接口、121电机总线接口、122光耦隔离电路、123功率驱动电路、124信号反馈电路、125电机接口。
具体实施方式
图I是本实用新型双路步进电机控制器应用不意图，该系统包括上位机(3)、双路步进电机控制器(1)，及两个步进电机(2)。双路步进电机控制器(I)通过CAN总线与上位机(3 )进行通讯，通过两个输出接口连接两个步进电机(2 )。与现有技术相比，用双路步进 电机控制器(I)取代了 PLC控制器与两个步进电机PLC模块，单器件实现二自由度运动控制；采用多主方式串联总线CAN接口与上位机通讯，易于实现更多运动自由度控制的扩展集成。图2是本实用新型实施的双路步进电机控制器结构框图，该双路步进电机控制器Cl)由控制模块(11)和驱动模块(12)组成；控制模块(11)由CAN接口(111)、DSP控制器(112)以及两个电机控制总线接口(113)组成；驱动模块(12)由的电机总线接口(121)、光耦隔离电路(122)、功率驱动电路(123)、电机接口( 125)以及信号反馈电路(124)组成；控制模块(11)和驱动模块(12)是通过电机控制总线接口(113)、驱动侧电机控制总线接口(121)实现连接；步进电机控制器(I)通过控制模块(11)的CAN接口( 111)与上位机(3 )进行通讯，通过驱动模块(12)的功率驱动电路(123)与电机(2)连接。图3是本实用新型实施的双路步进电机控制器的工作原理示意图，上位机(3)的运动控制命令(SI)输入到DSP控制器(112)中；经过运动解析(Fl)得到两个运动自由度的速度分量(S2)输入到相电流计算(F2)，在相电流计算(F2)中运用斜坡函数、锯齿波发生函数与正余弦查找表确定当前的步进电机的相位角从而得到各预设相电流(S3)输入到PID控制器(F3)，在PID控制器F3中根据接收的预设相电流(S3)和反馈的实际相电流(S8)运用PID算法生成包括周期及占空比设置的PWM控制参数S4输入到PWM驱动器(F5)中，PWM驱动器根据PWM控制参数(S4)输出PWM波(S5)输入到功率驱动电路(123)中，功率驱动电路(123 ) —方面根据PWM波(S5 )生成功率放大电流(S6 )驱动步进电机(2 )，一方面经过采样电阻、电流传感器生成的反馈电压电流模拟信号(S7)输入到信号反馈电路(124)中去，在信号反馈电路中队反馈电压电流模拟信号(S7)根据DSP芯片TMS320F28335的AD模数转化接口需求进行信号滤波和放大生成反馈电流电压校正模拟信号(S8)输入到PID控制器(F3)中。上文提到的相电流计算(F2)、PID控制器(F3)、PWM驱动器(F5)等结构是否都是都是DSP控制器的软件实现的部分。各种计算实现都是经典数学和控制理论实现。控制模块(11)进行上位机(3)通讯及运动控制算法的实现，其核心是DSP控制器(112)。DSP控制器(112)是一个具有高速运算能力的微处理器，在实际控制器中采用美国TI公司生产的TMS320F28335，针对该芯片所具有的功能单元，为双路步进电机控制器(I)设计了 CAN接口( 111)，两个电机控制总线接口( 113 )。电机控制总线接口( 113 )各包括功能单元6路PWM的驱动信号、6路AD模数转换的反馈信号以及8路通用功能接口 GPIO的控制信号。6路PWM可以支持二相四线步进电机、三相六线等类型步进电机；6路ADCIN支持各相电流、工作电流反馈；8路通用功能接口 GPIO可以用于控制器状态输出、错误诊断、FAULT信号、急停等。本自定义的电机控制总线接口的主要特点区别点在于通过管脚复用及冗余设计支持；多种类型步进电机驱动(步进)；支持以及多种位置反馈；GPI0 (通用输入输出)支持停机、预留用户自定义接口电机控制总线接口包含信号供电、PWM驱动信号、反馈信号、ADI采样反馈信号，其中一种实现例如下表所示
权利要求1.一种双路步进电机控制器，包括控制模块(11)和与之连接的驱动模块(12)，其特征在于控制模块(11)包括CAN接ロ(111)、DSP控制器(112)以及控制侧电机控制总线接ロ(113), DSP控制器(112) —端通过CAN接ロ( 111)与上位机(3)信号连通，DSP控制器(112)另一端与控制侧电机控制总线接ロ(113)信号连通； 驱动模块(12)包括驱动侧电机控制总线接ロ(121)、光耦隔离电路(122)、功率驱动电路(123)、电机接ロ( 125)以及信号反馈电路(124)，驱动侧电机控制总线接ロ( 121) —端与控制侧电机控制总线接ロ(113)相连，另一端通过光耦隔离电路(122)与功率驱动电路(123)相连，功率驱动电路(123)的功率输出端经过电机接ロ( 125)连接到步进电机(2)，功率驱动电路的反馈输出端经过信号反馈电路(124)连接驱动侧电机控制总线接ロ(121)。
2.根据权利要求I所述的ー种双路步进电机控制器，其特征在于所述控制侧电机控制总线接ロ、驱动侧电机控制总线接ロ、光耦隔离电路(122)、功率驱动电路(123)、电机接ロ(125)以及信号反馈电路(124)各设置有两组，每个电机接ロ连接ー个步进电机。
3.根据权利要求2所述的ー种双路步进电机控制器，其特征在于所述控制侧电机控制总线接ロ(113)与驱动侧电机控制总线接ロ(121)具有统ー接ロ定义。
4.根据权利要求3所述的ー种双路步进电机控制器，其特征在于双路步进电机控制器通过多主方式串行总线CAN接ロ与上位机信号连通。
专利摘要本实用新型涉及一种运动控制装置，特别涉及具有CAN总线接口的一种双路步进电机控制器，包括控制模块(11)和与之连接的驱动模块(12)，控制模块(11)包括CAN接口(111)、DSP控制器(112)以及控制侧电机控制总线接口(113)，DSP控制器(112)一端通过CAN接口(111)与上位机(3)信号连通，DSP控制器(112)另一端与控制侧电机控制总线接口(113)信号连通。本实用新型是一个集成双路步进电机控制和驱动的设备，可以不需要其他设备就可以驱动控制两路步进电机构成一个2自由度的移动系统，也可以与和PLC以及任何具有对应CAN通讯接口的控制设备集成。
文档编号H02P8/40GK202617057SQ20122026584
公开日2012年12月19日 申请日期2012年6月7日 优先权日2012年6月7日
发明者范传康, 姜周, 贺骥, 徐立强, 肖唐杰, 桂仲成, 吴建东 申请人:中国东方电气集团有限公司