专利名称：一种多任务的步进电机智能驱动器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种步进电机智能驱动器，属于机电控制领域。 技术背景现有步进电机驱动系统，依其组成形式可以分为两大类。一类主要是由控制器 和驱动器组成，参数的设置在控制器上完成，由于采用了人工设置参数的方式，操作较为 复杂，对使用者有着较高的技术要求；先进一些的是在控制器前端增加通信模块连接至PC 机，通过PC串口通信的方式实现控制器参数的设置。结构复杂、成本高、安装空间大、技术 需求高是该类驱动系统的明显不足。另一类驱动系统由控制部分和驱动器构成，控制部分 类似于上位机(实际中主要为PC机、工控机等)，驱动器通过一定方式(如控制卡、串口等) 与其连接，由控制部分提供驱动器所需的各种控制信号(如脉冲信号、方向信号、脱机信号 等)。此类驱动系统由于采用有类似于上位机的控制部分，其成本较高，也需要进行较为复 杂的软件开发，多任务时存在一定的系统资源占有率。此外，上述两类驱动器均需通过脉冲信号线、正反转信号线、脱机信号线与其它部 分相连，实际安装连接较为复杂；外接的控制器价格昂贵，在多电机驱动场合下成本更为可 观，而且多电机相互协调工作时难以获得共同的时基信号，顺序动作存在一定的误差。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种多任务的步进电机智能驱动器，解决现有技术中 存在的上述问题。本实用新型一种多任务的步进电机智能驱动器，包括MCU (Mi croContro 11 er Unit,微控制单元)模块、串口通信模块、电源模块、电压放大模块、电流控制模块、功率驱 动模块以及拨码开关及指示灯模块。各模块之间连接关系如下串口通信模块通过RS232 串口线连接MCU模块，MCU模块通过I/O与电流控制模块、拨码开关以及指示灯模块相连，电 流控制模块通过电压输出引脚连接功率驱动模块，而功率驱动模块将其中采样电阻的电压 作为输出信号，连接到电压放大模块的电压输入引脚，电压放大模块中的电压输出引脚与 电流控制模块中的采样电压引脚相连，电源模块通过电压输出引脚连接到串口通信模块、 MCU模块、电流控制模块、电压放大模块以及功率驱动模块，分别为各模块提供所需电压。本实用新型一种多任务的步进电机智能驱动器的工作原理如下首先通过拨码开 关设置细分数和工作电流状态，然后给多任务的步进电机智能驱动器上电，控制系统进行 初始化(包括系统时钟、交叉开关、I/O 口、外部中断等的初始化)、开启所有中断、读取I/O 口(即读取拨码开关设置值)，同时，MCU模块对读取到的I/O值进行判断，获得相应的电流 值和细分数。上位机通过预留的串口通信模块向MCU模块发送参数一组或多组参数(其中 每组参数包含正反转信号、脉冲信号、延时时间以及电机的编号)，MCU模块通过调用串口 通信子程序接收参数，当所有参数接收完毕后，进行保存并返回接收结束状态标志；然后进 行电机编号的检测，如果是本机，则准备接受后面的“运行”命令，否则反之。当MCU模块接收到上位机发送的“运行”命令后，控制电机按参数进行单任务(一组参数)或多任务(多 组参数)的动作。脱离开上位机后，多任务的步进电机智能驱动器可以通过本身自带的运 行按钮进行操控，依据存于内部的参数控制步进电机动作。MCU模块主要负责接受上位机通过串口通信模块发送来的工作参数和提供其它部 分需要的相关参数(如为电流控制模块提供脉冲信号和参考电压)；同时，实现对外部信号 (如细分状态选择信号、电流值选择信号等)的读取与判断处理，以执行相应的操作。串口通信模块用于上位机与MCU模块之间参数的传送。电源模块提供给系统所需的三种电压。电压放大模块的功能是将功率驱动模块中采样电阻的电压放大到足够大后送入 电流控制模块。 电流控制模块与MCU模块输出的参考电压以及经电压放大模块放大后的采样电 压配合工作，根据不同时刻的细分电流值，实现步进电机的细分控制和斩波恒流控制。功率驱动模块对电流控制模块输出的信号进行功率放大，以驱动步进电机；同时 它还具有欠压报警以及欠压封锁的保护功能。拨码开关及指示灯模块中的拨码开关主要用于设置细分状态选择信号和电流值 选择信号，以供MCU模块读取；其中指示灯部分包括三个电源指示灯、工作指示灯和报警指 示灯，在通电后，三个电源指示灯分别亮以示系统获得工作电压，工作指示灯亮时，表示步 进电机正常工作，当系统出现过流时，报警指示灯亮。本实用新型相对于现有技术，具有以下优点1、操作简单。只需外接电源线以及步进电机各相线，减少了接线；工作参数来自于 上位机发送的参数文件，在多电机多任务情况下无需一一设置，简化了操作。2、集成度高、结构紧凑。控制部分和驱动部分集成于一体，多任务的步进电机智能 驱动器以一个完整装置的形式展现，集成度高；外围器件少，外部接口少，结构紧凑。3、成本低。无需外接控制器，不占用控制主机的系统资源，制造成本与使用成本 低。4、适用性广。采用的电压转换芯片为可调节正电压稳压器，使驱动器供电电压具 有较宽范围，可以驱动39型号到86型号范围的步进电机。5、有共同时基。本实用新型在控制多个步进电机协调运作时，可以由工作现场的 微机发送启动命令，使得所有电机有共同的时基，保证了顺序动作的正确性和高精度性。
图1为本实用新型一种多任务的步进电机智能驱动器电路框图；图2为控制本实用新型一种多任务的步进电机智能驱动器的上位机控制软件框 图；图3为本实用新型一种多任务的步进电机智能驱动器嵌入在MCU模块的控制软件 (下位机软件)框图；图4为本实用新型的串口通信子程序框图；图5为本实用新型的外部中断子程序流程图；图6为本实用新型一种多任务的步进电机智能驱动器电路原理图；[0026]图7为步进电机运行状态图。其中图7-1是A号电机运行状态图，图7-2是B号 电机运行状态图。图中，高表示电机在运行状态，低表示电机在停止状态。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型做进一步详细说明。如图1和图6所示，电源模块为C8051F020单片机模块、串口通信模块、电流控制 模块、电压放大模块以及功率驱动模块供电；MAX232为串口通信模块，实现与上位机(如 PC、工控机、带串口的笔记本电脑等)的连接，进行数据传送。MCU模块中单片机U2采用的是美国Silicon Laboratories公司生产的高速单片 机C8051F020，它是一种完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，集成度高，抗干扰能力 强；外围器件少，功能强，可以简化驱动电路结构。单片机C8051F020的P5 口输出作为电流控制模块U9输入信号，两路D/A输出接 至U9的引脚17、16，其上的1 0和TX0与串口电平转换芯片U1相连。电源模块由U4、U3、U10构成，其中U4采用的是可调节正电压稳压器TL783，该芯 片具有较宽的输入电压范围(21.5 150V)和输出电压范围为(1.25疒125V)，本实例中设定 为输出12V ；U3采用的是LM317，将12V转换成5V ；U10采用的是LD1117-3. 3V，以获得3. 3V 电压。功率驱动模块由4片⑴5 U8) IR2110构成，每片包括了逻辑输入电路、电平转换电 路以及低、高压侧驱动输出电路。逻辑输入电路可以接受两路(与HIN和LIN相连)独立的 输入或者有偿驱动和预置死区时间的单个输入的TTL或CMOS电平。功率驱动模块的连线 及功能为(以U5为例)HIN、LIN由电流控制模块输出信号中的两路提供，引脚9和13分 别为逻辑电源VDD和VSS，采用单独的5V电源供电。当引脚11输入端口为逻辑低电平时， 封锁了芯片的整个输出，起到了保护作用。引脚5与Q10的源极相连，引脚7与Q10的栅极 相连。如果给VB和VS加一个隔离电源，H0输出将随HIN输入变化。由于Q10的栅极是容 性输入特性，因此隔离电源有一个电容取代，即自举电容C15。在自举电容作用下，H0则以 窄脉冲形式在HIN信号的上升沿或下降沿输出，并被以浮动电位为参考电位的复位或置位 触发器锁定。VCC经D4、C15、负载、Q10给C15充电，以确保Q10关闭、Q9开通时，Q9的栅极 靠C15上足够的储能来驱动，从而实现自举式驱动。四个晶体管(Q9 Q12) IRF640组成H桥的桥臂，高压管的集电极接高压电源，低压 管的发射极共地。当输入信号Q10、Q11为高电平时，功率管Q10、Q11导通，Q9、Q12截止， 电流经Q11，步进电机绕组，Q10到地。。当输入信号Q9、Q12为高电平时，功率管Q9、Q12导 通，Q10、Q11截止，电流经Q9，步进电机绕组，Q12到地。电流在绕组中流动是两个完全相反 的方向。推动级信号逻辑应使两对角线晶体管不能同时导通，以免高低压管直通。直通的 结果会使很大的短路电流流过晶体管。为了防止关断步进电机绕组时产生较大的反电势，每个功率管的栅极上都串有一 个肖特基三极管，即Q1 Q8作为功率关断续流作用。在功率桥的下端与地之间串联一个0.25欧/2W的电阻，用来采样绕组中的电压 值。将两路采样得到的电压值经电压放大模块LM358(U11)放大后接至电流控制模块U9的 引脚15、10，与单片机两路D/A输出信号比较，从而控制功率管的开启关断。[0036]如图2、3、4和5所示，本实用新型的软件部分主要由上位机控制软件和下位机软 件两个部分构成。上位机软件部分主要实现上位机工作界面初始化、参数文件(存放所需设定的参 数)位置选择、在界面中进行数据显示、向下位机进行参数传送、参数传送正确显示以及下 位机工作启动等功能，其程序流程图参见图2。当上位机将参数传送完毕后，下位机(MCU模 块)可以脱离上位机而独立工作，不占用上位机任何资源。下位机软件部分由主程序调用中断服务程序、串口通信程序以及其它辅助子程序 构成，其中参数的传递采用多种形式(函数参数传递、全局变量、静态变量)，最终满足下位 机硬件(即本发明的硬件)工作的需要。其中，主程序完成的具体功能有(图3)对系统进行初始化；开启所有中断；读取 硬件部分拨码开关设置值并进行判断处理，以获得相应的电流值和细分数；通过调用串口 通信子程序，接收上位机发送来的数据，并判断是否为本机运行参数；接收上位机发送的启 动运行命令；调用外部中断子程序，控制电机按参数运行。串口通信子程序主要完成的功能(参见图4)接收上位机的参数；向上位机反馈 参数接收的状态信息。外部中断子程序主要完成的功能(参见图5)根据选择的细分数以 及接收的正反转信号，读细分表获得细分值，从而控制步进电机的运行。软件部分中参数协议的格式为*T*D*R*Z，其中第一个*表示电机编号(用字母标 示)；第二个*表示启动后的延时时间(单位为秒)，第三个*表示电机转动方向(数字1 表示正转，数字0表示反转)，第四个*表示电机运行圈数，z表示一组参数的结束标志。本实例以驱动2个步进电机分别空载工作在5种状态为例，电机编号设为A和B， 工作基频率为1600Hz。其工作过程如下上电以后，电源指示灯D1、D2、D3亮，通过拨码开关 S1设置A号电机的细分参数为0011 (对应16细分)，电流参数为0001 (对应0. 5A电流)； 设置B号电机的细分参数为0010 (对应8细分)，电流参数为0010 (对应1A电流)。将2 个电机所要运行的5种参数写入文件，以备传送。5种参数如下AT1D1R3Z AT4D0R5Z BT4D1R6Z BT4D0R6ZAT2D0R2Z AT2D1R4Z BT3D1R2Z Q (所有参数结束标志)AT3D1R1Z BT2D0R2Z BT1D0R8Z上位机读出该参数文件，将数据传送至下位机。下位机接收全部参数后，保存各自 参数，并向上位机发送接收结束标志“END” ；上位机接收到“END”后，“启动”按钮有效。当 按下“启动”电机命令按钮后，单片机输出控制信号，2个步进电机能够按照设置的参数协调 运行，直至5种状态运行结束。图7是本实施例中两步进电机运动的编码器测试结果，其时序及工作过程正确。 主要元器件清单
U1MAX232RS232串口通讯芯片U2C8051F020单片机U3LM31712V转5V电源芯片
权利要求一种多任务的步进电机智能驱动器，包括MCU模块、串口通信模块、电源模块、电压放大模块、电流控制模块、功率驱动模块以及拨码开关及指示灯模块；其特征是串口通信模块通过串口线连接MCU模块，MCU模块通过I/O与电流控制模块、拨码开关以及指示灯模块相连，电流控制模块通过电压输出引脚连接功率驱动模块，而功率驱动模块将其中采样电阻的电压作为输出信号，连接到电压放大模块的电压输入引脚，电压放大模块中的电压输出引脚与电流控制模块中的采样电压引脚相连，电源模块通过电压输出引脚分别连接到串口通信模块、MCU模块、电流控制模块、电压放大模块以及功率驱动模块。
专利摘要本实用新型公开了一种多任务的步进电机智能驱动器，其电路结构是，串口通信模块通过串口线连接MCU模块，MCU模块通过I/O与电流控制模块、拨码开关以及指示灯模块相连，电流控制模块通过电压输出引脚连接功率驱动模块，而功率驱动模块将其中采样电阻的电压作为输出信号，连接到电压放大模块的电压输入引脚，电压放大模块中的电压输出引脚与电流控制模块中的采样电压引脚相连，电源模块通过电压输出引脚分别连接到串口通信模块、MCU模块、电流控制模块、电压放大模块以及功率驱动模块。本实用新型操作简单、集成度高、结构紧凑、制造成本与使用成本低。在控制多个步进电机协调运作时，可以使得所有电机有共同的时基，保证了顺序动作的正确性和高精度性。
文档编号H02P8/12GK201639535SQ20102002235
公开日2010年11月17日 申请日期2010年1月21日 优先权日2010年1月21日
发明者夏春梅, 许汝洁, 陈敏, 黄凤良 申请人:南京师范大学