本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种一体式混合步进伺服电机的控制电路及其控制方法。
背景技术
目前，混合一体式混合步进伺服电机已经在打印机、数控机床、监控摄像等技术领域得到了相当广泛的应用。
现有混合一体式混合步进伺服电机主要依靠恒流斩波电路实现步进电机细分控制，从而提高步进电机运行的精度，降低步进低速运行下的振动；借助于光电编码器实现位置反馈，以实现堵转警告和失步补偿。
然而，现有混合一体式混合步进伺服电机的上述控制电路普遍存在一些忽略的缺点：第一、控制电路体积较为庞大，元器件数量较多，要实现高功率密度有较大的困难；第二、用于细分控制的电流存在较大纹波。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种一体式混合步进伺服电机的控制电路及其控制方法，其目的在于，解决现有混合一体式混合步进伺服电机的控制电路中存在的控制电路体积较为庞大、元器件数量较多、细分控制的电流存在较大纹波的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种一体式混合步进伺服电机的控制电路，包括过压过流保护电路、微处理器电路、功率驱动电路、恒流斩波电路、串行接口电路、编码器电路、以及电源管理电路，过压过流保护电路、功率驱动电路、以及恒流斩波电路分别与微处理器电路电连接，功率驱动电路和恒流斩波电路彼此电连接，串行接口电路与电源管理电路的输入端电连接，电源管理电路的输出端与编码器电路、微处理器电路、以及功率驱动电路电连接，微处理器电路与编码器电路电连接，编码器电路将一体式混合步进伺服电机中转子的角度传送给微处理器电路，微处理器电路根据该转子的角度与预设角度之间的差值增大一体式混合步进伺服电机的工作电流。
优选地，过压过流保护电路、微处理器电路、功率驱动电路、以及恒流斩波电路设置在pcb板的一面，串行接口电路、光耦隔离电路、编码器电路、串口通讯电路、以及电源管理电路是设置在pcb板的另一面。
优选地，所述控制电路进一步包括led指示电路和拨码开关电路，二者与微处理器电路设置在pcb板的同一面，led指示电路和拨码开关电路分别与微处理器电路电连接。
优选地，所述控制电路进一步包括光耦隔离电路以及串口通讯电路，二者与串行接口电路设置在pcb板的同一面，光耦隔离电路和串口通讯电路分别与串行接口电路电连接，光耦隔离电路和串口通讯电路分别与电源管理电路的输出端电连接，光耦隔离电路与微处理器电路电连接。
优选地，过压过流保护电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、以及第一放大器，第三电阻一端与电源管理电路连接，另一端与第二电阻连接，其共同连接点连接到微处理器电路，第一电阻与电源管理电路彼此串联，第一电阻与第一放大器的输入端并联，第一放大器的输出端连接到微处理器电路。
优选地，恒流斩波电路包括第一电阻、第二放大器、以及第一比较器，第一电阻与电源管理电路彼此串联，第一电阻与第二放大器的输入端并联，第二放大器的输出端连接第一比较器的正向输入端，第一比较器的反向输入端连接到微处理器电路，第一比较器的输出端连接到微处理器电路和功率驱动电路。
优选地，编码器电路包括磁电编码器、差分子电路、以及掉电存储子电路，磁电编码器的一个输出端与差分子电路电连接，另一个输出端与掉电存储子电路电连接，掉电存储子电路是通过电容和eeprom实现，在控制电路出现停电时，由电容向微处理器电路供电，此时微处理器电路将待保护的数据写入eeprom中。
根据本发明的另一方面，提供了一种上述一体式混合步进伺服电机的控制电路的控制方法，包括以下步骤：
(1)电源管理电路启动，并为过压过流保护电路、微处理器电路、功率驱动电路、恒流斩波电路、串行接口电路、以及编码器电路供电；
(2)串行接口电路接收来自于外部控制器的控制信号，并将该控制信号传送到微处理器电路；
(3)微处理器电路根据该控制信号生成pwm信号，并根据该pwm信号控制恒流斩波电路产生驱动信号，以控制功率驱动电路驱动一体式混合步进伺服电机运行，同时获取恒流斩波电路中第一比较器cmp1输出端的信号，并根据该信号调节pwm信号的频率和占空比；
(4)编码器电路实时获取一体式混合步进伺服电机中转子的角度，并判断该转子的角度是否等于预设角度，如果不等于则进入步骤(5)，如果等于则进入步骤(6)；
(5)编码器电路将转子的角度反馈给微处理器电路，微处理器电路根据该转子的角度与预设角度之间的差值增大一体式混合步进伺服电机的工作电流；
(6)串行接口电路接收来自于plc的下一个控制信号，将该控制信号传送到微处理器电路，并重复上述步骤(3)至(5)，直至没有控制信号到达为止。
优选地，调节后的pwm信号的频率fp2等于1/(k1·tc)，其中k1是周期调节系数，tc表示获取到的、恒流斩波电路中第一比较器cmp1输出端的信号的周期，调节后的pwm信号的占空比等于k2·tcl·fp2＝k2·tcl/(k1·tc)，其中k2是占空比调节系数，tcl表示获取到的、恒流斩波电路中第一比较器cmp1输出端的信号的低电平时间。
优选地，预设角度等于m·θ/n，其中m为步骤(2)中控制信号中用于驱动一体式混合步进伺服电机转动θ/n角度的控制子信号的脉冲数，θ表示一体式混合步进伺服电机的步距角，n表示细分数，其取值等于2n，其中n的取值范围为0到8之间的自然数，增大后的工作电流等于im+kc·δθ，其中im表示一体式混合步进伺服电机的当前工作电流，kc表示电流补偿系数，其取值范围是0到
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、由于本发明通过采用双面印刷电路板的设计，实现了控制电路结构的紧凑化和小型化；此外，通过进一步使用高度集成化、元器件数量少的过压过流保护电路、微处理器电路、功率驱动电路以及恒流斩波电路，进一步缩小了控制电路所在电路板的体积，因此能够解决现有混合一体式混合步进伺服电机的控制电路中存在的控制电路体积较为庞大、元器件数量较多的技术问题；
2、由于本发明中的微处理器电路采用了内部放大器和比较器配合的控制策略，配合编码器电路实现的位置反馈，因此能够改善细分控制电流的纹波，提高一体式混合步进伺服电机的控制效率；
3、本发明控制电路的元器件数量少，功能齐全，可靠性和性价比高；
4、本发明控制方法通过对pwm信号的频率和占空比进行微调，能够减少一体式混合步进伺服电机的工作电流中的纹波，从而进一步降低一体式混合步进伺服电机的震动噪声，提高了控制效率；
5、本发明在转子的角度没有达到预设角度的情况下，通过增加一体式混合步进伺服电机的工作电流，实现了一体式混合步进伺服电机的失步补偿，从而提高了一体式混合步进伺服电机的运行精度，减少了一体式混合步进伺服电机的运行误差。
附图说明
图1是本发明一体式混合步进伺服电机的控制电路的组成框图；
图2是本发明控制电路中过压过流保护电路和恒流斩波电路的具体电路图；
图3是本发明一体式混合步进伺服电机的控制电路的控制方法流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-过压过流保护电路；2-led指示电路；3-拨码开关电路；4-微处理器电路；5-功率驱动电路；6-恒流斩波电路；7-串行接口电路；8-光耦隔离电路；9-编码器电路；10-串口通讯电路；11-电源管理电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，根据本发明的第一种实施方式，提供了一种一体式混合步进伺服电机的控制电路，其包括过压过流保护电路1、led指示电路2、拨码开关电路3、微处理器电路4、功率驱动电路5、恒流斩波电路6、串行接口电路7、光耦隔离电路8、编码器电路9、串口通讯电路10、以及电源管理电路11。
需要注意的是，本发明的控制电路是设置在双面印刷电路板(printedcircuitboard，简称pcb)上，其中过压过流保护电路1、led指示电路2、拨码开关电路3、微处理器电路4、功率驱动电路5、以及恒流斩波电路6设置在pcb板的一面，而串行接口电路7、光耦隔离电路8、编码器电路9、串口通讯电路10、以及电源管理电路11是设置在pcb板的另一面。
过压过流保护电路1、led指示电路2、拨码开关电路3、功率驱动电路5、以及恒流斩波电路6分别与微处理器电路4电连接，功率驱动电路5和恒流斩波电路6彼此电连接。
串行接口电路7分别与光耦隔离电路8、串口通讯电路10、以及电源管理电路11的输入端电连接，电源管理电路11的输出端与光耦隔离电路8、编码器电路9、串口通讯电路10、微处理器电路4、以及功率驱动电路5电连接。
微处理器电路4与光耦隔离电路8、以及编码器电路9电连接。
如图2所示，过压过流保护电路1包括第一电阻r2、第二电阻r3、第三电阻r4、以及第一放大器amp1，其中第三电阻r4一端与电源管理电路11连接，另一端与第二电阻r3连接，其共同连接点连接到微处理器电路4；第一电阻r2与电源管理电路11彼此串联，第一电阻r2与第一放大器amp1的输入端并联，第一放大器amp1的输出端连接到微处理器电路4。
led指示电路2包括多个led指示灯，其分别为不同的颜色。
拨码开关电路3具体是一个5到8管脚的拨码开关。
微处理器电路4具体使用的是stm32微控制器中的f0/f1/f3系列。
功率驱动电路5具体是两相h桥电路，两相h桥电路可以使用驱动芯片和单个功率芯片(如a4950或a4955)集成的方式，也可以使用独立驱动芯片(如ir2104s或fan73832)与独立功率芯片(如ao4826)分别设置的方式。
在本实施方式中，功率芯片具体是金属氧化物场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effect-transistor，简称mosfet)芯片。
如图2所示，恒流斩波电路6包括第一电阻r1、第二放大器amp2、以及第一比较器cmp1，第一电阻r1与电源管理电路11彼此串联，第一电阻r1与第二放大器amp2的输入端并联，第二放大器amp2的输出端连接第一比较器cmp1的正向输入端，第一比较器cmp1的反向输入端连接到微处理器电路4，第一比较器cmp1的输出端连接到微处理器电路4和功率驱动电路5。
串行接口电路7采用通用串行接口，例如db15型号的串行接口。
光耦隔离电路8包括高速光耦电路和低速光耦电路，其分别是高速光耦器和低速光耦器。
编码器电路9包括磁电编码器91、差分子电路92、以及掉电存储子电路93，磁电编码器91的一个输出端与差分子电路92电连接，另一个输出端与掉电存储子电路93电连接。
其中磁电编码器91具体是通过tle5012e1000芯片实现，差分子电路92具体是通过差分芯片实现，掉电存储子电路93是通过电容和带电可擦可编程只读存储器(electricallyerasableprogrammablereadonlymemory，简称eeprom)实现，在控制电路出现停电时，由电容向微处理器电路4供电，此时微处理器电路4将待保护的数据写入eeprom中。
串口通讯电路10具体为rs-232接口或rs-485接口。
电源管理电路11包括dc-dc降压电路、以及线性稳压电路，二者分别通过通用dc-dc降压芯片和线性稳压芯片即可实现。
本发明的工作原理如下：
首先外部电源和控制信号接入串行接口电路7，光耦隔离电路8将控制信号传递给微处理器电路4，同时电源管理电路11根据外部电源获得各个电压等级电压，并给控制电路中的各个模块供电；微处理器电路4根据外部控制信号相应地控制led指示电路2、拨码开关电路3、功率驱动电路5和恒流斩波电路6，编码器电路9将一体式混合步进伺服电机转动的位置信息传送给微处理器电路4，微处理器电路4根据位置信息做出相应的控制策略；串行接口电路7可以通过串口通讯电路10与微处理器电路4实现通讯，为一体式混合步进伺服电机的控制器设置参数，并根据这些参数向一体式混合步进伺服电机发送控制指令；在整个控制电路的工作过程中，过压过流保护电路1监测电源管理电路11和功率驱动电路5，一旦检测到过压或者过流发生，就将报警信号传递给微处理器电路4，然后微处理器电路4做出相应的保护措施。
如图3所示，根据本发明的第二种实施方式，提供了上述一体式混合步进伺服电机的控制电路的控制方法，其包括以下步骤：
(1)电源管理电路启动，并为过压过流保护电路、微处理器电路、功率驱动电路、恒流斩波电路、串行接口电路、以及编码器电路供电；
(2)串行接口电路接收来自于外部控制器的控制信号，并将该控制信号传送到微处理器电路；
具体而言，外部控制器可以是可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller，简称plc)、单片机、各种常用逻辑电路(包括手动按钮、逻辑门电路、大规模集成电路等)等，在此不再一一赘述。
(3)微处理器电路根据该控制信号生成脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，简称pwm)信号，并根据该pwm信号控制恒流斩波电路产生驱动信号，以控制功率驱动电路驱动一体式混合步进伺服电机运行，同时获取恒流斩波电路中第一比较器cmp1输出端的信号，并根据该信号调节pwm信号的频率和占空比；
具体而言，调节后的pwm信号的频率fp2等于1/(k1·tc)，其中k1是周期调节系数，其取值范围是(0，0.8)，tc表示获取到的、恒流斩波电路中第一比较器cmp1输出端的信号的周期；
调节后的pwm信号的占空比等于k2·tcl·fp2＝k2·tcl/(k1·tc)，其中k2是占空比调节系数，其取值范围是(0.5，1.5)，优选范围是(0.9，1.1),tcl表示获取到的、恒流斩波电路中第一比较器cmp1输出端的信号的低电平时间。
本步骤的优点在于，通过调节pwm信号的频率和占空比，减少一体式混合步进伺服电机的工作电流中的纹波，从而进一步降低一体式混合步进伺服电机的震动噪声。
(4)编码器电路实时获取一体式混合步进伺服电机中转子的角度，并判断该转子的角度是否等于预设角度，如果不等于则进入步骤(5)，如果等于则进入步骤(6)；
具体而言，预设角度等于m·θ/n，其中m为步骤(2)中控制信号中用于驱动一体式混合步进伺服电机转动θ/n角度的控制子信号的脉冲数，θ表示一体式混合步进伺服电机的步距角，n表示细分数，其取值等于2n，其中n的取值范围为[0，8]，n具体可由一体式混合步进伺服电机的用户自由设定。
(5)编码器电路将转子的角度反馈给微处理器电路，微处理器电路根据该转子的角度与预设角度之间的差值增大一体式混合步进伺服电机的工作电流；
具体而言，增大后的工作电流等于im+kc·δθ，其中im表示一体式混合步进伺服电机的当前工作电流，kc表示电流补偿系数，其取值范围是0到
本步骤的优点在于，在转子的角度没有达到预设角度的情况下，通过增加一体式混合步进伺服电机的工作电流，实现电机的失步补偿。
(6)串行接口电路接收来自于plc的下一个控制信号，将该控制信号传送到微处理器电路，并重复上述步骤(3)至(5)，直至没有控制信号到达为止。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。