一种步进电机控制器及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电机控制技术领域，特别涉及一种步进电机控制器及其控制方 法。
【背景技术】
[0002] 步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制元件，在工业生产 中，步进电机被广泛用于各种精密运动机构中，完成系统的位置控制功能。步进电机运行过 程中面临的主要问题有振动、过热和失步等，需要通过控制器采用细分、电流衰减、闭环控 制等技术手段来解决。对步进电机的控制和驱动，目前大多采用单片机结合专用驱动芯片 的方式，或者采用DSP芯片结合专用驱动芯片方式，或者采用FPGA结合专用驱动芯片的方 式。
[0003] 公告号为03129924. 5,名称为"全数字细分型高精度步进电机控制器"的发明专 利，使用美国TI公司的DSP作为主控芯片，配合使用大量的滤波、模数转换等1C，很明显方 案成本太高不适合普及使用。另外，该发明专利的通讯单元上也没有设计相关的配置接口， 无法实现工业级的多地址串联控制。
[0004] 申请号为201010280597. 1，名称为"步进电机驱动器"的发明专利，使用单片机作 为主控芯片，配合使用美国Allegro公司的A3977电机驱动芯片，同样具有方案成本高的缺 陷，而且没有电流自动衰减、过热保护、闭环控制等功能。
[0005] 公告号为00253539,名称为"小型步进电机控制器"的实用新型专利，使用单片机 作为主控芯片，具有网络通讯接口，但是控制方案太过于简单，缺乏闭环控制、电流衰减、过 热保护等功能；电机驱动电路采用光耦、M0SFET、串联电阻实现，驱动能力较弱，控制器也没 有提供动态参数配置接口。
[0006] 申请号为200920213892. 8的"一种步进电机控制器"实用新型专利，采用FPGA作 为主控芯片，配合使用比较器驱动步进电机，不难看出该方案具有成本高，灵活性差，驱动 能力小等缺陷，而且该方案采用按键方式控制，没有网络通讯接口及配置接口，不适合工业 级用途。
[0007]综上所述，有必要设计一种低成本、不依赖进口驱动芯片、具备多种通讯接口、可 动态实时配置、具备电流闭环控制、位置闭环控制、可存储执行用户自定义程序等功能的细 分步进电机控制器，以解决上述问题。
【发明内容】
[0008] 本发明是为了克服现有技术的不足，满足各种工业应用需求，提出一种步进电机 控制器及其控制方法，具备丰富的通讯接口，体积小和成本低，能实现步进电机自动匀加速 或匀减速的功能。
[0009] 本发明通过以下技术方案解决上述问题：
[0010] 本发明提供了 一种步进电机控制器，包括
[0011] 电源隔离模块，用于隔离电源和各个模块；
[0012] 通讯与命令处理模块，包括选择器、通讯接口和命令处理模块，通过通讯接口实现 上位机与数字控制模块的通信，并对上位机的命令进行配置处理；
[0013] 数字控制模块，包括EEPR0M和MCU，用于对上位机的命令进行处理后控制步进电 机动作；
[0014] 信号隔离模块，用于消除所述通讯接口信号、电源功率电路和步进电机对所述数 字控制模块的干扰；
[0015] 功率放大模块，用于实现对所述数字控制模块输出的调制信号进行功率放大，输 出设定的电流值到电机绕组。
[0016] 进一步，所述功率放大模块包括输入电路、电流反馈电路和H桥电路，所述输入电 路与H桥电路连接，所述H桥电路与电流反馈电路连接。
[0017] 进一步，所述功率放大模块包括输入电路、电流反馈电路和H桥电路，所述H桥电 路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管、第一快速二极管、第二快速二极 管、第三快速二极管、第四快速二极管，所述第一三极管和第二三极管为NPN型晶体管，所 述第三三极管和第四三极管为PNP型晶体管，所述第一三极管的集电极分别与第三快速二 极管的阴极、第二快速二极管的阴极和第二三极管的集电极连接并与电源正极连接，所述 第一三极管的发射极分别与第三快速二极管的阳极、第三三极管的发射极和第四快速二极 管的阴极连接，所述第二三极管的发射极分别与第二快速二极管的阳极、第四三极管的发 射极和第一快速二极管的阴极连接，所述第三三极管的集电极与第四三极管的集电极之间 连接步进电机的一相绕组。
[0018] 进一步，H桥电路包括第一 NM0S管、第二NM0S管、第三NM0S管、第四NM0S管、第一 快速二极管、第二快速二极管、第三快速二极管和第四快速二极管，所述第一 NM0S管的漏 极连接电源正极，所述第一 NM0S管栅极连接H桥驱动电路的输出端，所述第一 NM0S管源极 连接第三快速二极管的阳极，所述第二NM0S管的漏极连接电源正极，所述第二NM0S管的栅 极连接H桥驱动电路的输出端，所述第二NM0S管源极连接第二快速二极管的阳极，所述第 三NM0S管的漏极分别与第一 NM0S管的源极和第四快速二极管的阴极连接，所述第三NM0S 管栅极连接H桥驱动电路输出端，所述第四NM0S管漏极分别与第二NM0S管的源极和第一 快速二极管的阴极连接，所述第四NM0S管栅极连接H桥驱动电路输出端，所述第四NM0S管 的源极与第一 NM0S管的源极之间连接步进电机的一相绕组。
[0019]进一步，所述通讯接 口包括 RS232、RS485/CAN、RS422、I2C、SPI、PULSE、两个紧急 停车输入接口和四个通用输入输出口形成开环模式下的上下限位控制及闭环模式下的编 码器位置反馈输入，所述上位机实时配置每个端口方向和电平值。
[0020] 本发明还包括一种步进电机控制器的控制方法，包括以下步骤：
[0021] 步骤一，步进电机控制器上电后检测通讯接口的选择设置；
[0022] 步骤二，根据所述通讯接口的设置进行初始化变量和初始I/O 口；
[0023] 步骤三，等待上位机发出配置命令或步进命令，发出配置命令则执行步骤四，发出 步进命令则执行步骤五；
[0024] 步骤四，数字控制模块进入配置子程序，对控制参数进行修改并写入EEPR0M ;
[0025] 步骤五，数字控制模块进入步进命令，配置PWM参数；
[0026] 步骤六，根据所述配置PWM参数，数字控制模块检测步进电机当前的位置信息，执 行动态实时配置的匀加速或匀减速控制步骤。
[0027] 进一步，所述步骤四中的配置命令包括用户自定义指令程序，所述用户自定义指 令程序通过所述通讯与命令处理模块写入EEPR0M中，所述步进电机控制器在开机时自动 选择自动执行用户自定义指令程序，实现步进电机控制器脱离上位机自动执行用户自定义 指令程序，具体步骤包括：
[0028] S401 :所述步进电机控制器在开机时自动选择一种接口与上位机通讯；
[0029] S402:用户通过自定义指令集中的命令向所述步进电机控制器写入自定义指令程 序；
[0030] S403 :所述步进电机控制器将用户自定义指令程序存储在EEPR0M中；
[0031] S404 :所述步进电机控制器再次开机，自动选择执行用户自定义指令程序模式；
[0032] S405 :所述步进电机控制器自动执行用户自定义指令程序，所述用户自定义程序 包含步进电机控制器配置参数、10端口读写和步进电机运动控制程序。
[0033] 进一步，所述步骤六中的动态实时配置的匀加速或匀减速的控制过程，具体步 骤：
[0034] S601 :设定步进电机的运动速度，将步进电机的每个步进位置或细分位置设 为速度参考点，设转动第一步时的速度为％，线性加速比率为a，则第n步时的速度v n= a(Iri)*v0;
[0035] S602 :设定步进电机的步进数steps，则从0加速到vmax所需要的步进数为 stepsmax, stepsmax= log a(vmax/v〇)+1 ；
[0036] S603 :判断所述速度增大所需要的步进数stepsmax与设定步进电机步进数steps 的大小，若 stepsmax小于 steps,则当 steps max= 0? 5*steps,初始化计数器 v ent;当 steps max 大于steps，则初始化计数器vcnt;
[0037] S604