本发明属于步进电机驱动与控制领域，涉及一种高精度五相步进电机驱动与控制装置及方法。
尤其涉及一种基于单片机产生精准通电时序隔离式控制mosfet的高边与低边驱动以实现五相步进电机的精密运转、运用pwm方式调节电机绕组电流适应不同的电机或不同负载的情况、具有过流保护措施和细分功能的程控式高精度五相步进电机驱动与控制装置及方法。
背景技术：
由于步进电机具有低转速大扭矩、精度高且误差不累计等特点，常用在精密控制场合中，而相比于两相、三相和四相步进电机，五相步进电机具有更小的步距角。因此，五相步进电机经常被应用于高精度测量场景中，例如电动精密位移台、单轴/多维精密电动旋转台等。
关于五相步进电机应用的产品生产厂家主要日本、韩国以及德国等，而常用五相步进电机的五相绕组采用首尾连相的环形结构，正是由于这种不同于其他种类步进电机的特殊结构，在驱动控制方式就无法采用传统的顺序单拍通电、或细分多拍方式进行驱动控制。
目前国内并没有完全掌握关于五相步进电机的驱动控制技术，特别是关于细分驱动的技术，这些技术依然掌握在上述的国外公司手中。国内目前在进行五相步进电机的应用时通常采用购买国外的驱动器然后配合国产步进电机控制器的方式实现。
通常，控制精度高的驱动器受到限制，很难进口进入中国。
而国内通常利用进口的精度相对比较差的五相步进电机驱动控制芯片和与其配套的驱动芯片完成五相步进电机的驱动，可以实现1/2细分。但在这种驱动方式下，五相步进电机在低速运转时便会发生震颤现象，从而失去了高精密应用的优势。
综上，目前在对五相步进电机的应用上存在以下几点缺陷和不足：
1、驱动器主要依赖进口，在进行系统产品研发时成本较大；
2、现有可购买的驱动相关芯片均为进口，且购买渠道受限，很难大量采购；同时，可购买的驱动相关芯片完成的驱动电路精度低、低速平稳性差，淹没了五相电机的应用优势。
技术实现要素：
为了解决现有技术中存在的缺陷和不足，完成对五相步进电机的精准驱动与控制，低成本的实现五相步进电机的精密应用场景能够达到高精度和高稳定性要求，本发明提出了一种静高精度五相步进电机驱动与控制装置及方法。
本发明的基本思路是：
基于单片机电路产生精准通电时序信号控制mosfet的高边与低边驱动以实现五相步进电机的精密运转、运用pwm方式调节电机绕组电流适应不同的电机或不同负载的情况、具有过流保护措施和细分功能的程控式高精度五相步进电机驱动与控制装置及方法，计算机可通过串口程控单片机对电机的运行参数进行设置，单片机通过串口向计算机实时发送电机的运行状态。
本发明采用的技术解决方案如下：
本发明提供了一种高精度五相步进电机驱动与控制装置，其包括上位pc机，串口通信电路，单片机电路，高速光耦隔离电路，mosfet高边/低边驱动电路以及mosfet电路；
上位pc机通过串口通信电路与单片机电路连接，单片机电路将通电相序信号通过高速光耦隔离电路后送至mosfet高边/低边驱动电路；
mosfet高边/低边驱动电路产生5组高/低边驱动信号；每组高/低边驱动信号包括1路高边驱动信号和1路低边驱动信号；5路高边驱动信号和5路低边驱动信号分别接至mosfet电路中的10个moseft的栅极；每一组高边mosfet源极与低边mosfet的漏极相连，该连接处称为mosfet电路的输出节点；
待控制的五相步进电机内部各绕组连接处的引线与mosfet电路的5个输出节点进行连接；
其中，高边驱动信号与对应的高边mosfet栅极连接，低边驱动信号与对应的低边mosfet栅极连接。
进一步地，该控制装置还包括在高速光耦隔离电路和mosfet电路之间的过流报警电路；将mosfet电路中的5个低边mosfet源极连接在一起接至过流报警电路中。该电路中主要由低阻值大功率电阻与比较器组成，当五相绕组的总电流大于上限时，在功率电阻上产生的压降会超过阈值，由此引发比较器输出信号的电平反转，该反转信号经过高速光耦隔离电路后送至单片机电路，单片机电路接收到该报警信号后立即停止输出，并向上位pc机报告待控制的五相步进电机工作异常。
进一步地，所述高速光耦隔离电路的传输延时小于60ns。
基于上述驱动及控制装置的电路结构描述，现对采用该装置对五相步进电机进行驱动和控制的方法进行阐述：
具体驱动和控制方法的步骤如下：
1)上位pc机下发的电机运行参数；所述运行参数为rs232信号电平，其包括转动方向、驱动脉冲频率、运行脉冲数、细分数以及绕组平均电流；
2)串口通信电路将运行参数转换为ttl电平信号并送至单片机电路；
3)单片机电路收到来自上位机的运行参数后，首先与上位pc机进行握手，确认收到的参数无误，则开始执行步骤4)，否则，跳转至步骤1)；
4)单片机电路根据收到的运行参数，并对运行参数进行处理，获得通电相序信号并输出；
4.1)5路绕组通电信号的产生；
根据单片机电路中的一个内部定时器产生频率为250khz的连续pwm波；单片机电路再根据运行参数中的驱动脉冲频率由另一个内部定时器产生驱动脉冲信号；再将驱动脉冲信号通过相与关系将连续pwm进行调制，共产生5路绕组通电信号；
4.2)通电相序信号的获取和输出；
单片机电路根据运行参数中的转动方向、细分数对5路绕组通电信号进行通电相序排列并输出；
输出通电相序信号的同时，对所述驱动脉冲信号的脉冲个数进行计数，当所计脉冲数与下发参数中运行脉冲数一致时，停止通电相序输出，待控制的五相步进电机停止；
5)单片机电路输出的通电相序信号经过高速光耦隔离电路后送至mosfet高边/低边驱动电路，每一路通电相序信号经过高边/低边驱动电路后产生2路驱动信号，分别用于高边驱动与低边驱动，共计10路驱动信号；
6)10路驱动信号分别接至mosfet电路中10个moseft的栅极，从而实现对待控制五相步进电机进行驱动；
进一步地，为了提高该控制方法的安全性和可靠性，还包括通过设置在高速光耦隔离电路和mosfet电路之间的过流报警电路实现的过流保护，该过流保护的具体步骤是：
当五相绕组的总电流大于上限时，在过流报警电路上产生的压降会超过阈值，由此引起输出信号的电平反转，该反转信号经过高速光耦隔离电路后送至单片机电路，单片机电路接收到该报警信号后立即停止输出，并向上位机报告电机工作异常。
本发明的有益效果是：
1、本发明中采用的上位pc机，串口通信电路，单片机电路，高速光耦隔离电路，mosfet高边/低边驱动电路以及mosfet电路均是常规电路，没有注入特殊芯片，易于实现且制造成本低，易于大批量生产。
2、本发明将单片机作为控制电路与mosfet高边/低边驱动电路以及mosfet电路构成的驱动电路集成在一起，即减小了系统体积，也降低了研发成本，更加便于系统集成。
3、本发明中有关五相步进电机的运行参数均可通过电平转化电路与单片机电路通信进行设置，实现了程控。
4、本发明采用单片机进行细分驱动，使得五相步进电机能够微步转动，提高了运动精度，可应用于高精度场合；同时使得电机转动更加平滑稳定，避免了低速转动下的震颤现象。
5、本发明的各相绕组电流可通过pwm进行调节，调节范围驱动电路最大驱动电流值的5％—95％，能够适用与不同绕组电流的五相步进电机。
6、本发明中通过单片机电路对输出的驱动脉冲信号进行了计数，降低了丢步的概率，进一步地确保了该驱动及控制装置的控制精度。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为驱动信号调制原理。
附图标记如下：
1-单片机电路，2-串口通信电路，3-高速光耦隔离电路，4-mosfet高边/低边驱动电路，5-mosfet电路，6-五相步进电机、7-过流报警电路、8-上位pc机。
具体实施方式
如图1所示，本发明由上位pc机8、单片机电路1，串口通信电路2，高速光耦隔离电路3，mosfet高边/低边驱动电路4，mosfet电路5，过流报警电路7组成。其用于控制和驱动一台五相步进电机6。
该装置的具体电路结构是：
上位pc机通过串口通信电路2与单片机电路1连接，单片机电路1将通电相序信号通过高速光耦隔离电路3后送至mosfet高边/低边驱动电路4；
mosfet高边/低边驱动电路4产生5组高/低边驱动信号；每组高/低边驱动信号包括1路高边驱动信号和1路低边驱动信号；5路高边驱动信号和5路低边驱动信号分别接至mosfet电路中的10个moseft的栅极；其中，高边驱动信号与对应的高边mosfet栅极连接，低边驱动信号与对应的低边mosfet栅极连接；
每一组高边mosfet源极与低边mosfet的漏极相连，该连接处称为mosfet电路的输出节点；(需要说明的是：mosfet器件的特性一共有三个管脚，分别是栅极、源极和漏极)
待控制的五相步进电机内部各绕组连接处的引线与mosfet电路的5个输出节点进行连接，
将mosfet电路中的5个低边mosfet源极连接在一起接至过流报警电路中。
该装置中各个部分的具体功能如下：
串口通信电路2将rs232电平与lvttl电平进行双向转换，实现上位pc机和单机片的串口通信；
单片机电路1接收来自上位pc机的电机参数和运行指令并与上位pc机握手，同时根据参数与指令输出5路通电相序信号，负责电机转动的控制；
高速光耦隔离电路实现低电压控制区域与高电压大功率驱动区域的电气隔离，实现了对串口通信电路2和单片机电路1的保护；低传输延时的高速特性降低了5路通电相序信号由于传输延时而引起的相位误差的概率；
mosfet高边/低边驱动电路4将5路通电相序信号的每一路变换成高边驱动和低边驱动两路驱动信号，用于高边mosfet驱动和低边mosfet驱动，共10路；
mosfet电路5为功率输出级，每两个mos组成高边/低边驱动方式，由mosfet高边/低边驱动电路4产生的高边/低边驱动信号分别接至对应mosfet的栅极，每一组中高边mosfet的源极与低边mosfet的漏极连接，并连接至五相电机的一个首位节点，依次完成5个节点的连接，从而将通电相序信号实现了功率放大驱动电机转动。
该驱动及控制装置的具体驱动和控制工作过程如下：
【1】上位pc机8下发的电机运行参数(具体包括：转动方向、驱动脉冲频率、运行脉冲数、细分数、绕组平均电流)为rs232信号电平经过串口通信电路2转换为ttl电平并送至单片机电路1；
【2】单片机电路1收到来自上位pc机的运行参数后，首先与上位pc机进行握手，确认收到的参数无误；
【3】单片机电路1根据收到的运行参数，在内部首先通过其中一个定时器产生频率为250khz的连续pwm波，再根据驱动脉冲频率信号由另一个定时器产生驱动脉冲信号，再将驱动脉冲信号通过相与关系将该pwm进行调制，其具体调制方式如图2所示，通过调节pwm的脉冲宽度即可实现对电机绕组平均电流的调节；以此方式共产生5路信号，分别代表五相步进电机绕组通电信号，可记做a、b、c、d、e；然后根据转动方向、细分数对5路绕组通电信号进行通电相序排列并输出，以正向、1/2细分为例，其时序关系如表1所示；输出通电相序信号的同时，对驱动脉冲个数进行计数，当所计脉冲数与下发参数中运行脉冲数一致时，停止通电相序输出；
表1
【4】单片机电路1输出的通电相序信号经过高速光耦隔离电路3后送至mosfet高边/低边驱动电路4，此时通电相序信号时序关系与单片机电路1输出时一致，但具备了很强的驱动能力；且每一路信号经过mosfet高边/低边驱动电路4后产生2路驱动信号，分别用于高边驱动与低边驱动，共10路(5组)驱动信号，分别记做a+、a-、b+、b-、c+、c-、d+、d-、e+和e-；
【5】10路驱动信号分别接至mosfet电路5中10个moseft的栅极，具体连接方式如下：每两个mosfet为高边低边接法，称为1组，共组成5组高/低边驱动，每一组高/低边驱动与mosfet高边/低边驱动电路4输出的驱动信号组对应，即高边驱动信号与对应组的高边mosfet栅极连接，低边驱动信号与对应组的低边mosfet栅极连接；每一组高边mosfet源极与低边mosfet的漏极相连，该连接处称为输出节点；因此，mosfet电路5会输出5个节点，分别记做ao、bo、co、do和eo；
【6】将五相步进电机6内部各绕组连接处的引线与mosfet电路5的5个输出节点进行连接，连接方法如下：五相步进电机中a相绕组与b相绕组连接处的引线与bo相连、b相绕组与c相绕组连接处的引线与co相连、c相绕组与d相绕组连接处的引线与do相连、d相绕组与e相绕组连接处的引线与eo相连、e相绕组与a相绕组连接处的引线与ao相连；五相步进电机便会根据设置值进行转动；
【7】将mosfet电路5中的5个低边mosfet源极连接在一起接至过流报警电路7中，该电路中主要由低阻值大功率电阻与比较器组成，当五相绕组的总电流大于上限时，在功率电阻上产生的压降会超过阈值，由此引发比较器输出信号的电平反转，该反转信号经过高速光耦隔离电路3后送至单片机电路1，单片机电路1接收到该报警信号后立即停止输出，并向上位机报告电机工作异常。