专利名称：一种步进电机驱动电源的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种步进电机驱动电源，属电源技术领域。
背景技术：
步进电机是一种将电脉冲信号转换为相应角位移(或线位移)的机电元件，它和步进电机驱动电源组成步进电机驱动系统。对步进电机驱动系统的要求是应具备高性能、高可靠性、高集成化和低成本的特点。然而，目前步进电机驱动电源普遍存在一些缺点，这些缺点表现在以下几个方面一是电源产品大多采用分离器件构成，其功率消耗大、效率低、体积大，并且一套步进电机驱动电源只能驱动一台步进电机，不易满足数控系统多轴驱动的要求；二是步进电机有二相、三相、四相、五相等多种形式，而目前的步进电机驱动电源通常仅能适用于某一种相数的步进电机，或者虽有驱动多种步进电机的驱动电源，但其驱动能力十分有限；三是运行参数出厂时即予设定，很难由用户根据实际工作情况对频率、速度、加速度、角位移等工作参数进行个性化设置，使电机性能受到一定影响。
基于以上情况，用户希望在保证可靠性和性能稳定性的前提下，开发一种新型步进电机驱动电源，以解决上述之缺陷。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够实现多轴驱动、具备更广泛的适应性、并可现场设定工作参数的步进电机驱动电源。
解决上述问题的技术方案是一种步进电机驱动电源，它由MCU控制器、D/A转换电路、功放电路、显示电路、输人键盘和485通讯接口组成，各电路构成及相互连接关系如下所述MCU控制器为单片机芯片，它的I0A0～I0A7端口与输入键盘相连接，I0B7、I0B8、I0B3、I0BI0端口分别与485通讯接口的RO、RE、DE、D1端口连接，I0A8～I0A15端口分别与D/A转换电路的8位并行I/O口DB0～DB7连接，I0B11～I0B15端口分别与功放电路连接；所述D/A转换电路采用8路8位的D/A转换芯片，它的五个电压输出端V0A、V0B、V0C、V0D、V0E与功放电路连接；所述功放电路为5路驱动功放电路，分别为A相、B相、C相、D相、E相，它们分别与所述的D/A转换芯片的电压输出端连接，同时还与所述的单片机芯片的脉冲信号输出端连接。
上述步进电机驱动电源，所述功放电路采用双电压高压斩波恒流电路，每路双电压高压斩波恒流电路由与门U1、运放器U2、比较器U3、场效应管Q1、Q2、二极管D1、D2、电阻R3组成，其中，比较器U3的正向端接D/A转换芯片的输出端，比较器U3的负向端接场效应管Q2的源极，比较器U3的输出端连接与门U2的一个输入端，与门的输出端连接场效应管Q1的栅极，与门的另一个输入端连接MCU控制器I0B11～I0B15端口中的一个，场效应管Q1的源极、场效应管Q2的漏极分别连接步进电机某相驱动绕组L的一端，其漏极接直流电源，场效应管Q2的源极经电阻R3接地，所述MCU控制器I0B11～I0B15端口中的一个端口连接的输入端，后者输出端连接场效应管Q2的栅极单片机芯片的脉冲信号输出端相连接，Q1的漏极为功放电路的输出端，场效应管Q1的源极串接限流电阻R2、二极管D2接地，场效应管Q2的源极串接限流电阻R1、二极管D1接地。
上述步进电机驱动电源，所述显示电路采用128*64点阵的LCD。
本实用新型采用一体化设计，可以实现控制电路、驱动电路和相关电路的全部功能。它具备具备较好的通用性，可以进行二相、三相、四相、五相步进电机的驱动，并且驱动能力能够满足多数用户的要求。其驱动电流范围从1A到15A连续可调。本实用新型还采用全参数化设置环境，不论是步进电机的运行参数(如相数、频率、初始速度、驱动速度、加速度、角位移、细分数、驱动电流等)，还是工作模式、工作状态(如方向、启动、停止)等，均可方便地利用软件实现参数设置，或由键盘完成人机信息的交换，并最终由控制器进行控制运行。
图1是本实用新型的电原理图；图2是功放电路采用的双电压高压斩波恒流电路原理图；图3是主要程序流程框图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的电路包括8部分MCU控制器、D/A转换电路、功放电路、显示电路、键盘输入和485通讯接口，分述如下1.MCU控制器采用的单片机芯片的型号为SPACE61芯片，该芯片集数据传输、控制为一体，实现自动控制功能。SPACE61芯片具有低功耗和高速度处理能力；片内程序、数据存储器；PWM输出信号，DSP算法专用指令；以及基本I/O口；最高25ns的高速指令周期。利用它输出8位数字量控制信号。它的41脚～48脚接键盘电路，53～60脚接D/A转换电路，64～68脚接功放电路，79、78、2、76脚接485通讯接口。
2.D/A转换电路把单片机的数字控制量转换为模拟的电压信号，经放大后直接控制电机。本实用新型选用的D/A转换芯片是AD5346芯片，该芯片上集成了8个8位电压输出数模变换器(DAC)。全部DAC都通过一个8位并行I/O口与CPU单片机芯片发生读写操作。利用D/A转换芯片的8位并行I/0口，把步进电机的一个步距分成256级，也就是2的8次方，达到电压高精度的细分要求。本实用新型使用AD5346芯片的五个电压输出数模转换器，直接输出0-10V的电压，以控制最多五相的电机绕组，减少电路复杂性。它的连接方式为25～32脚接CPU单片机芯片，6、7、8、9、11脚接功放电路。
当电机处于低频工作时，其转动频率与电机的固有频率相接近，产生共振现象而使电机运转不平稳或不能正常运转，因此在设计中为本实用新型增加了软细分功能。本电源的系统设置当中有三段固振频率段，当电机步进频率运行于这些频率段时，由系统程序进行运算，在保证速度不变的情况下，自动进行2、4、8或16倍细分，避开电机共振频率，保证电机的正常运行。
细分的实现过程以两相绕组为例加以说明。由单片机送来的数字量电压控制信号，经D/A转换电略转换为模拟量的电压信号，再送到放大驱动电路上，经放大后直接送到步进电动机的两相绕组。在电路中，由CPU根据设定的细分档位，计算出相关参数，生成相对应的阶梯波，插入了电流合成向量。在正转或反转的控制信号下，阶梯波脉冲由输出端口送入D/A转换器件ADC5346芯片进行相应的电压合成向量的转化，输出对应的电压值，经驱动放大控制步进电机，从而实现了细分驱动。
3.功放驱动采用双电压高压斩波恒流电路，这种电路功耗低，输出力矩大，控制简单。功率场效应晶体管IRF250作为驱动管，允许最大电流为20A，可满足大功率步进电机十几安的驱动电流的需要。可以并列设置五个功放电路，提供五相电流驱动。
图2电路为一个单相绕组的驱动电路模块，采用双电压高压斩波恒流电路。其中U1、运放器U2为与门，比较器U3为电压比较器，Q1，Q2为功放管，R3为恒流采样电阻，PWM信号为电机的步进脉冲信号，DAC为由D/A转换器输出的用来控制相电流的电压信号。
在正常工作过程中，DAC信号加在电压比较器的正向输入端，与R3上的电压Vr3进行比较，当VR3值超过DAC瞬间，电压比较器输出零电位，此时流经采样电阻R3的驱动电流为0，R3上没有电压，电压比较器输出为高。
PWM信号和DAC信号同时到达，此时绕组中的驱动电流为0，亦即流经采样电阻R3电压VR3为0，DAC信号使电压比较器输出置高，PWM信号开启功率管Q1、Q2，加在步进电机绕组上的高压使绕组中的电流快速上升。当绕组中的电流上升到额定值以上的时候，从恒流采样电阻R3上产生的电压VR3高于DAC电压，运放输出低电平，关断高端功率管Q1，即关闭电源，绕组中的反电动势经绕组L、Q2、D2、R2回路泄放。当电流降到额定值以下时，在电阻R3上产生的电压VR3低于DAC电压，电压比较器输出高电平，使得Q1又导通，高压电源加于电机绕组上使电流上升。上述过程在PWM信号有效期间不断重复。这样在绕组中的电流就保持在额定值上下以锯齿形波动的波形。在PWM信号为0时，Q1、Q2关断，电流经泄放回路泄放。
4.显示电路采用128×64点阵的LCD提供图形化界面及中文字幕输出，具有良好的人机交互性。
5.本实用新型采用4×4键盘，用户通过键盘进行系统设置。系统设置包括电机参数、共振频率、多种工作模式参数设置、系统出厂设置等。这种全参数化设置，可满足不同功率，不同类型的步进电机的智能控制，例如调整相电流匹配电机功率，调整驱动路数以匹配电机相数，设置步进时钟频率以匹配驱动速度，用自动细分来屏蔽共振频率等。本实用新型根据步进电机的工作特点，内置了多种工作模式，在保证电机不变速的情况下，可自动用2到16倍细分来屏蔽共振频率，使电机运行更为平稳、精确可控。
6.在其它工作模式下，本实用新型与上位机有485通讯接口，可完成电机的复杂运动。一个上位机控制器匹配二个或多个，最多达255个驱动控制器，可以实现一些复杂过程的简单控制。
本实用新型参数设计指标①.90V直流驱动电压；②.1-15A相位峰值电流可调，适配二～五相各种步进电机；③.LCD显示；④.温变过热保护；⑤.可调运行步进时钟频率0-5KHz；⑥.最高可达256级细分。
权利要求1.一种步进电机驱动电源，其特征在于它由MCU控制器、D/A转换电路、功放电路、显示电路、输入键盘和485通讯接口组成，各电路构成及相互连接关系如下所述MCU控制器为单片机芯片，它的I0A0～I0A7端口与输入键盘相连接，I0B7、I0B8、I0B3、I0B10端口分别与485通讯接口的RO、RE、DE、D1端口连接，I0A8～I0A15端口分别与D/A转换电路的8位并行I/O口DB0～DB7连接，I0B11～I0B15端口分别与功放电路连接；所述D/A转换电路采用8路8位的D/A转换芯片，它的五个电压输出端V0A、V0B、V0C、V0D、V0E与功放电路连接；所述功放电路为5路驱动功放电路，分别为A相、B相、C相、D相、E相，它们分别与所述的D/A转换芯片的电压输出端连接，同时还与所述单片机芯片的脉冲信号输出端连接。
2.根据权利要求1所述的步进电机驱动电源，其特征在于所述功放电路采用双电压高压斩波恒流电路，每路双电压高压斩波恒流电路由与门U1、运放器U2、比较器U3、场效应管Q1、Q2、二极管D1、D2、电阻R3组成，其中，比较器U3的正向端接D/A转换芯片的输出端，比较器U3的负向端接场效应管Q2的源极，比较器U3的输出端连接与门U2的一个输入端，与门的输出端连接场效应管Q1的栅极，与门的另一个输入端连接MCU控制器I0B11～I0B15端口中的一个，场效应管Q1的源极、场效应管Q2的漏极分别连接步进电机某相驱动绕组L的一端，其漏极接直流电源，场效应管Q2的源极经电阻R3接地，所述MCU控制器I0B11～I0B15端口中的一个端口连接的输入端，后者输出端连接场效应管Q2的栅极单片机芯片的脉冲信号输出端相连接，Q1的漏极为功放电路的输出端，场效应管Q1的源极串接限流电阻R2、二极管D2接地，场效应管Q2的源极串接限流电阻R1、二极管D1接地。
3.根据权利要求2所述的步进电机驱动电源，其特征在于所述显示电路采用128*64点阵的LCD。
专利摘要一种步进电机驱动电源，属电源领域，用于解决步进电机的驱动问题。它由MCU控制器、D/A转换电路、功放电路、显示电路、输入键盘和485通讯接口组成，其中，MCU为CPU单片机芯片，它的I0A0～I0A7端口与输入键盘连接，I0A8～I0A15端口与D/A转换电路的8位并行I/O口连接，I0B11～I0B15端口分别与功放电路连接；所述D/A转换电路采用8路8位D/A转换芯片，功放电路为5路驱动，分别对应五相绕组。本实用新型采用一体化设计，可实现控制、驱动和相关电路的全部功能，可进行二至五相步进电机的驱动，驱动电流从1～15A连续可调。步进电机运行参数、工作模式和状态均由软件或键盘完成设置。
文档编号H02P8/00GK2814801SQ200520113360
公开日2006年9月6日 申请日期2005年7月13日 优先权日2005年7月13日
发明者任有志, 路增立, 陈继荣, 张弛, 袁贵栋, 蔡建军, 张永立, 娄晨辉, 郑晓峰 申请人:河北科技大学