专利名称：基于arm平台的步进电机闭环控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于ARM平台的步进电机闭环控制系统。尤其涉及一种基于CAN网络连接的实时网络嵌入式步进电机闭环控制系统
背景技术：
目前，在工作移动台进行控制时一般采用步进电机进行驱动控制。步进电机的主要优点之一是能在开环系统中保证一定的控制精度，但开环系统也具有一些缺点无法知道步进电机在点位运动的匀速阶段和起动的升速阶段是否失步，在步进结束时是否超步，以及由于负载变化而引起的速度变化，尤其当负载转矩较大且有冲击现象时，失步和丢步现象就显得十分突出，从而使步进电机的开环控制的应用受到一定程度的影响。为实现工作移动台的准确定位，采用了以光栅尺作为位置检测环节的闭环控制，其根本的方法就是光栅尺将检测到的工作平台的位置脉冲反馈给控制器，控制器根据检测到的实际位移状态，来实时调整输入的脉冲数、频率，使步进电机稳定在正常运行状态，并使实际位置和指令位置一致，从而达到精确定位的要求。
实用新型内容为实现上述目的，本实用新型提出一种基于ARM平台的步进电机闭环控制系统，包括主机部分和步进电机控制部分；主机部分由一台PC电脑构成，主要负责用户界面显示和命令控制；步进电机控制部分由ARM7微处理器为核心组成，包括USB-CAN总线转换器、电机控制器、电源、电动台、输出功率可调装置和衰减方式可调装置；所述步进电机控制部分实现一路步进电机驱动、光栅尺输入信号解读、限位开关信号输入控制、点动控制和PC电脑实时通信；ARM微处理器与电机驱动芯片采用隔离电路；PC电脑与步进电机控制器之间通过CAN总线接口进行实时通信。该电机控制器内主要设置有ARM微处理器、步进电机控制电路、光电隔离电路、系统复位电路、存储器电路、CAN总线接口电路，USB接口电路、RS232接口电路、无线接口电路、反馈控制电路、限位控制电路和同步信号输出电路；该电动台与电机控制器相连接，其主要设置有步进电机、移动台、光栅尺和限位开关；所述PC电脑通过USB-CAN总线转换器与电机控制器相连接，电源电连接电机控制器；所述输出功率可调装置和衰减方式可调装置与电机控制器相连，用于线性调整输出功率及设置不同的衰减方式。进一步，所述步进电机控制电路采用ARM微处理器AT91SAM7X256，根据PC电脑上配套软件实时传输的控制命令，调用包含有地址、方向、速度、行程、循环、分辨率等参数的运行方案，精确控制步进电机运动。进一步，所述电机控制器采用THB6064H作为电机驱动芯片，可以通过PC电脑上配套软件设置步进电机的运行方向、速度、细分模式，可以进行2/8/10/16/20/32/40/64等多级细分模式，从而实现在低速振动极小和定位精度更高的精确电控移动。进一步，所述的步进ARM微处理器和电机驱动芯片的隔离电路采用TLP2530和TLP521-4，从而实现系统的弱电部分和强电部分隔离，达到抑制系统噪声，消除接地回路的干扰的目的。进一步，为了防止移动台工作时运动出界，在移动台导轨两侧的极端位置分别设置了限位开关，可以在平台超出运动范围时自动触发信号给步进电机控制器，使其实时响应并停止电机运动。进一步，所述电机控制器通过USB-CAN总线转换器同PC电脑进行实时通信，转换器电路采用STM32F103RBT6作为主控协议转换芯片，通过CAN总线接口还可以与其他电机控制器相级联形成一套多维位置精确可控的步进电机控制系统，其最大维数可为15维。进一步，所述基于ARM微处理器平台步进电机闭环控制系统还设置有用来控制电机移动方向的两个点动控制按键，并设计有去抖电路，可以在没有输入运行方案的前提下手动进行相对精度要求的定位。进一步，所述无线接口电路使用ZIGBEE方式，可以通过无线数据传输来设置电机 控制器的参数，其电路主控芯片采用CC2430，其无线接口方式还可以使用其他频率的无线接口方式。进一步，所述步进电机控制部分还设计了输出功率可调装置和衰减方式可调装置，他们分别可以对输出功率的大小及衰减方式进行设置，从而使得本系统可以在不同应用条件下得到充分的应用；所述电机控制器还具有指示系统工作正常与否的闪烁指示灯。进一步，所述同步信号输出电路可以用来和其他设备相连，用来同步其他设备的工作，使整个系统具有更加广泛的应用领域。与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于本实用新型的控制系统增加了光栅尺作为位置检测环节的闭环控制，其根本的方法就是光栅尺将检测到的工作平台的位置脉冲反馈给控制器，控制器根据检测到的实际位移状态，来实时调整输入的脉冲数、频率，使步进电机稳定在正常运行状态，并使实际位置和指令位置一致，从而达到精确定位的要求。本实用新型的控制系统还增加了 CAN网络连接功能，可以与远端机进行通信，并使得通讯距离大为提升，并可以更加灵活的实现多级互联控制，从而可以使本系统的应用更加广泛。为了防止移动台工作时运动出界，在移动台导轨两侧的极端位置分别设置了限位开关，可以在平台超出运动范围时自动触发信号给步进电机控制器，使其实时响应并停止电机运动。同样，本实用新型也采用了可以手动控制移动台移动位置的两个点动控制按键。可以在没有输入运行方案的前提下手动进行相对精度要求的定位。并且由于使用ARM微处理器为电路控制系统的核心，ARM微处理器内的充足空间可以为本系统上的其它功能预留出一定的程序空间和外部接口，极大地增强了本实用新型的可扩展性。
图I为本实用新型的电路原理方框图；图2为本实用新型实施例的ARM微处理器各端口部分电连接电路图；[0023]图3为本实用新型实施例的ARM微处理器和CAN总线接口电路图；图4为本实用新型实施例的ARM微处理器和USB接口电路图；图5为本实用新型实施例的ARM微处理器和RS232接口电路图；图6为本实用新型实施例的ARM微处理器和无线接口电路图；图7为本实用新型实施例的步进电机控制电路图；图8为本实用新型实施例的光电隔离电路图；图9为本实用新型实施例的同步信号输出电路图；图10为本实用新型实施例的上面示意图； 图11为本实用新型实施例的正面示意图；图12为本实用新型实施例的反面示意图。图1-11中各部件标记如下I. ARM微处理器；2. CAN总线接口电路；3. USB接口电路；4. RS232接口电路；
5.无线接口电路；6.系统复位电路；7.存储器电路；8.同步信号输出电路；9.限位控制电路；10.闪烁指示灯；11.步进电机控制电路；12.光电隔离电路；13.输出功率可调装置；14.衰减方式可调装置；15点动控制按键；16.步进电机接口；17.限位开关接口；18.光栅尺接口；19.步进电机；20.移动台；21.限位开关；22.光栅尺；23电机控制器；24. PC电脑；25. USB-CAN总线转换器；26.电源。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细描述如图I的电路原理图所示，ARM微处理器I与CAN总线接口电路2，USB接口电路3，RS232接口电路4，无线接口电路5，系统复位电路6，存储器电路7，同步信号输出电路8，限位控制电路9，闪烁指示灯10，步进电机控制电路11，点动控制按键15，限位开关接口17和光栅尺接口 18电连接；步进电机控制电路11与光电隔离电路12，输出功率可调装置13，衰减方式可调装置14和步进电机接口 16电连接；移动台20与步进电机19，限位开关21和光栅尺22固定连接；步进电机19与步进电机接口 16电缆连接；限位开关21与限位开关接口 17电缆连接；光栅尺22与光栅尺接口 18电缆连接；USB-CAN总线转换器25与CAN总线接口电路2电缆连接；PC电脑24与USB-CAN总线转换器25电缆连接；电机控制器23与电源26相连接；当在PC电脑24的软件界面上输入需要运行控制的包含有地址、方向、速度、行程、循环、分辨率等参数的运行方案后，ARM微处理器I将此方案参数首先通过存储器电路7存储，以便于在断开PC电脑24的连接后仍可以按照此方案参数运行，ARM微处理器I将输出控制命令到步进电机控制电路11，后者经由光电隔离电路12将控制命令输出到步进电机接口 16，从而驱动步进电机19工作来使移动台20移动到运行方案中设置的位置。本系统采用光栅尺22作为移动台位移的位置检测环节。光栅尺22输出的是电信号，动尺移动一个栅距，输出电信号便变化一个周期，它是通过对信号变化周期的测量来测出动就与定就职相对位移。目前使用的光栅尺22的输出信号一般有两种形式，一是相位角相差90°的2路方波信号，二是相位依次相差90°的4路正弦信号。本系统针对输出方波信号的光栅尺22进行设计，而对于输出正弦波信号的光栅尺，经过整形可变为方波信号输出。输出方波的光栅尺22有A相、B相和Z相三个电信号，A相信号为主信号，B相为副信号，两个信号周期相同，均为W，相位差90°。信号通过光栅尺接口 18输入到ARM微处理器1，对此信号的测量和处理需经过滤波整流、细分辨向、计数、实现与系统的数据交换。ARM微处理器I把从光栅尺22得到的数据和通过PC电脑24设置的方案参数进行对比判断，进行误差校正，从而实现移动位置的精确闭环控制。本实用新型在电动移动台控制上还设计了输出功率可调装置13和衰减方式可调装置14，他们分别可以对输出功率的大小及衰减方式进行设置，从而使得本系统可以在不同应用条件下得到充分的应用。本实用新型增加有远近两个限位开关21，这相当于为电控移动台设置了移动的范围，当移动的位置无论到达远近两个限位开关20的任何一个时，限位开关21都会通过限位 开关接口 17向ARM微处理器I输出一个位置信号。这意味着移动台已经移动到了位置范围的一侧极值，移动台将不能再在此方向移动，只能往相反方向移动。这将有效的保证电控移动台移动位置的有效性。本实用新型还设计有级联功能，可以通过CAN总线接口与其他电机控制器相级联，形成一套多维位置精确可控的步进电机控制系统，其最大维数可为15维。本实用新型设计了可以手动控制移动台移动位置的两个点动控制按键15。可以在没有输入运行方案的前提下手动进行相对精度要求的定位。由于使用ARM微处理器为电路控制系统的核心，ARM微处理器内的充足空间可以为本系统上的其它功能预留出一定的程序空间和外部接口，极大地增强了本实用新型的可扩展性。需要指出的是根据本实用新型的具体实施方式
所做出的任何变形，均不脱离本实用新型的精神以及权利要求记载的范围。
权利要求1.一种基于ARM平台的步进电机闭环控制系统，本系统是一个分散式的控制系统，主机部分由一台PC电脑构成，主要负责用户界面显示和命令控制，步进电机控制部分由ARM7微处理器为核心组成；其特征在于步进电机控制部分则实现一路步进电机驱动、光栅尺输入信号解读、限位开关信号输入控制、点动控制和PC电脑实时通信；ARM微处理器与电机驱动芯片采用隔离电路；PC电脑与步进电机控制器之间通过CAN总线接口进行实时通信。
2.如权利要求I所述的基于ARM平台的步进电机闭环控制系统，其特征在于所述的步进电机控制电路采用ARM微处理器AT91SAM7X256。
3.如权利要求I所述的基于ARM平台的步进电机闭环控制系统，其特征在于所述的 步进电机驱动芯片采用THB6064H。
4.如权利要求I所述的基于ARM平台的步进电机闭环控制系统，其特征在于所述的步进ARM微处理器和电机驱动芯片的隔离电路采用TLP2530和TLP521-4。
5.如权利要求I所述的基于ARM平台的步进电机闭环控制系统，其特征在于所述的USB-CAN总线转换器电路采用STM32F103RBT6。
6.如权利要求I所述的基于ARM平台的步进电机闭环控制系统，其特征在于所述的限位开关信号输入控制为移动台导轨两侧极端位置的限位开关，可以在平台超出运动范围时自动触发信号给步进电机控制器，使其实时响应并停止电机运动。
7.如权利要求I所述的基于ARM平台的步进电机闭环控制系统，其特征在于所述的点动控制为点动控制按键，可以在没有输入运行方案的前提下手动进行相对精度要求的定位。
8.如权利要求I所述的基于ARM平台的步进电机闭环控制系统，其特征在于步进电机控制部分还设计有无线接口电路，其电路采用CC2430。
专利摘要本实用新型公开了一种基于ARM平台的步进电机闭环控制系统，本系统是一个分散式的控制系统。主机部分由一台PC电脑构成，步进电机控制部分由ARM7微处理器为核心组成。主机部分主要负责用户界面显示和命令控制。步进电机控制部分则实现一路步进电机驱动、光栅尺输入信号解读、限位开关信号输入控制、点动控制和PC电脑实时通信。PC电脑与步进电机控制器之间通过CAN总线接口进行实时通信。
文档编号G05B19/418GK202512415SQ20112054404
公开日2012年10月31日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者冯忠磊, 刘兵辉, 富强, 罗强 申请人:大恒新纪元科技股份有限公司