专利名称：以太网步进电机驱动控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及步进电机，特别是一种以太网步进电机驱动控制器，该驱动控制器能够用于通过以太网进行远程控制的高精密控制要求的场合，尤其是一种能够应用于大规模工业控制系统等领域，通过以太网完成步进电机转速、方向和步数的调整和控制的装置。
背景技术：
对于步进电机的驱动和控制，普遍采用芯片与步进电机专用芯片相结合进行控制，如专利201010280597提到的方式，采用GL1800D芯片作为控制处理器进行指令转换工作，采用RS485作为通讯接口实现上位机通讯，利用A3977芯片作为电机驱动芯片实现步进电机驱动和控制；或采用计算机扩展接口卡与步进电机驱动模块相连接的方法进行控制，如专利94223287.9，200810121354.6，200820081417.5等。上述方式的控制方法都是通过现场放置专用芯片作为上位机或者通过连接扩展接口卡的本地计算机作为上位机进行控制。上述控制技术的缺点是:1、难以实现多轴步进电机控制。以芯片作为上位机进行控制的方式只能实现点对点控制，一套芯片上位机只能为一台步进电机进行控制；以本地计算机为上位机进行控制的方式只能实现一块接口卡控制一台步进电机，受扩展槽限制。2、难以实现远程步进电机控制。芯片或本地计算机一方面受到连线的限制，必须布置在步进电机周围以实现对其的控制，另一方面由于通讯方式大多采用串口 RS232或RS485进行通信，信号在长距离的传递过程中的衰减明显，限制了上位机的距离分布，因此芯片或本地计算机扩展接口卡的方式对步进电机的远程控制是难以实现的。3、控制方式单一，人员与设备成本高。由于芯片或本地计算机控制方式单一，只能实现点对点控制方式，使得多电机的控制就必须在现场布置大量上位机作为控制终端，这就要求投入多套上位机设备来进行控制，在控制方式上只能实现简单的运动控制，在成本上花费巨大。
发明内容
为了克服上述现有控制技术方法的缺点，特别是针对专利201010280597提到的控制方式所存在的通讯缺点和单轴控制缺陷，本发明提供一种基于以太网通信的步进电机驱动控制器，该步进电机驱动控制器具备以太网通信能力和多轴步进电机控制能力，能够实现远程多台步进电机智能控制的特点。本发明的技术解决方案如下:一种以太网步进电机驱动控制器，其特点在于该控制器由通信电路、微处理器芯片和电机接口组成，所述的通信电路由RJ45物理接口、以太网变压器芯片、以太网物理层芯片组成；所述电机接口由电机控制芯片、电机驱动芯片和信号发送芯片组成；所述微处理器芯片与通信电路中的以太网物理层芯片相连，用以实现上位机指令数据传递至微处理器芯片内；所述微处理器芯片与电机控制芯片相连，用以实现将上位机控制指令数据下发至电机控制芯片内，来实现对步进电机运行状态的控制；所述电机驱动芯片与信号发送芯片相连，在信号发送芯片内完成电机驱动脉冲信号的功率放大工作；所述信号发送芯片与多台步进电机相连，用以实现对电机的驱动工作。所述的微处理器芯片是MCF52259CAG8，该芯片具有快速以太网模块，能够实现对以太网数据包在数据链路层的解释、传递和对输入数据的预处理等功能，同时能为用户提供包括指令、函数、系统变量在内的两百多个保留字，还能为用户提供了数据存储空间，包括程序存储区、独立变量存储区、数组存储区等，所述的微处理器芯片具有保存所述步进电机驱动控制器的物理地址号的功能。所述的通信电路采用10/100M自适应以太网接口，通信电路的以太网变压隔离芯片选用H1102NL完成双绞线电信号的变压工作，以太网物理层芯片选用DP83848实现以太网电路的工作状态切换，降低整个电路的能耗从而提高整体性能。所述的步进电机控制芯片是GL1800D芯片，驱动芯片是A3977芯片，信号发送芯片是MC3486芯片作为四路差动线路驱动器，用于脉冲信号放大、滤波与发送。所述电机接口芯片与所述信号发送芯片相连，所述信号发送芯片相连与电机驱动芯片相连，用以实现对同时对步进电机的驱动控制。本发明的技术特点:1、本发明步进电机驱动控制器包含一个与上位机通信的通信电路、微处理器芯片和步进电机接口，通过保存在所述微处理器芯片内的唯一以太网地址可实现多电机的远程控制和集中控制。2、本发明步进电机驱动控制器通过通信电路接受上位机的指令包，由微处理器芯片对指令包分解后形成控制指令数据并将数据发送至步进电机控制芯片，步进电机控制芯片将控制指令按照协议分解为若干组电平信号后发送至指定的电机驱动芯片，电机驱动芯片将信号转换为脉冲信号后依次发送至信号发送芯片，信号发送芯片接收到脉冲信号后经过自身放大后输出至步进电机接口以实现步进电机驱动。3、所述步进电机驱动控制器能够对微处理器芯片发出的运动控制指令进行解释，能够按照指令包内的电机标识号要求，将方向信号、速度信号和步数信号发送至指定的电机驱动芯片。本发明的技术效果是:1、结构简单，易于管理。一方面步进电机驱动控制器通过以太网接口向上可以直接与上位机相连，向下由电机接口直接与步进电机相连，所有功能集中于一体。2、能够实现以太网远程控制。通信接口提供的以太网通信能力可以实现以太网远程控制，且配合唯一的网络地址(IP地址)能够实现任意距离远程控制功能，并使得控制器能够在互通的局域网内具备远程控制能力。3、多电机控制易于实现。控制器本身能够实现4轴步进电机的同时驱动控制，再配合以太网接口进行通讯，上位机能够通过以太网对不同物理IP地址的步进电机驱动控制器进行管理，就可以实现对多台步进电机驱动控制器的控制。总之，本发明具备智能可编程的能力和以太网远程控制能力，具有结构简单、功能实用、操作方便、易于实现多台步进电机的控制等特点。
图1是本发明以太网步进电机驱动控制器的结构示意2是本发明以太网步进电机驱动控制器实施例的结构示意中:1-上位控制计算机；2-通信端口 ；201_RJ45物理接口 ；202_以太网变压器芯片；203-以太网物理层芯片；3-微处理器芯片；4-电机接口 ；401-电机控制芯片；402-电机驱动芯片；图3是本发明以太网步进电机驱动控制器的通信端口结构示意中:201_RJ45物理接口 ；202_以太网变压器芯片；203_以太网物理层芯片。图4是本发明以太网步进电机驱动控制器中的数据通讯主流程5是本发明以太网步进电机驱动控制器中软件的命令处理流程图
具体实施例方式下面结合实例和附图对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。请参阅图1，图1是本发明以太网步进电机驱动控制器及典型实施例的结构示意图，由图可看出，本发明以太网步进电机驱动控制器，该控制器由通信电路2、微处理器芯片3和电机接口 4组成，所述的通信电路2由RJ45物理接口 201、以太网变压器芯片202、以太网物理层芯片203组成；所述电机接口 4由电机控制芯片401、电机驱动芯片402和信号发送芯片403组成；所述微处理器芯片3与通信电路2中的以太网物理层芯片203相连，用以实现上位机指令数据传递至微处理器芯片内；所述微处理器芯片3与电机控制芯片401相连，用以实现将上位机控制指令数据下发至电机控制芯片内，来实现对步进电机运行状态的控制；所述电机驱动芯片402与信号发送芯片403相连，在信号发送芯片内完成电机驱动脉冲信号的功率放大工作；所述信号发送芯片403与多台步进电机5相连，用以实现对电机的驱动工作。图2是本发明以太网步进电机驱动控制器实施例的结构示意图，本发明以太网步进电机控制器的构成包括RJ45物理接口芯片201、以太网变压器芯片202、以太网物理层芯片203、微处理器芯片3和电机接口 4，所述的电机接口 4包括多个电机控制芯片401和多个电机驱动芯片402，图中40201-电机驱动芯片A ；40202-电机驱动芯片B ；40203-电机驱动芯片C ；40204-电机驱动芯片D ;信号发送芯片A40301- ;40302_信号发送芯片B ；40303-信号发送芯片C ；40304-信号发送芯片D ;所述的信号发送芯片A40301- ;40302_信号发送芯片B ；40303-信号发送芯片C ；40304-信号发送芯片D分别与所述的501-步进电机A ；502-步进电机B ；503-步进电机C ;504_步进电机D相连。所述的步进电机驱芯片402包括和信号发送芯片403并集成于一块电路板上，同时具备了以太网通信、电机控制和驱动的功能。所述的以太网步进电机驱动控制器的以太网通信接口电路，由扩展连接用的RJ45物理接口芯片201、以太网变压器芯片202、以太网物理层芯片203、微处理器芯片3组成，所述的RJ45物理接口 201用于实现与上位机I的以太网接口的物理连接，通常采用双绞线作为连接介质，实现上位机与以太网通信接口之间的电气传输。请参阅图3，所述的以太网通信具体实现方式为:以太网变压器芯片202选用H1102NL以太网变压器芯片实现数据信号的电压放大从而让信号传得更远，而且使芯片的内部和外部隔离，大大提高抗干扰能力，放大后的数据信号通过引脚发送至以太网物理层芯片203实现对网络数据的物理层传递，以太网物理层芯片203选用DP83848以太网物理控制器芯片来实现物理层接口，由于芯片已经完全固化了从物理层、网络层到传输层所需要的协议，因此能够实现以太网数据协议在物理层上的数据通信，完成上述工作后以太网物理层芯片203将指令数据发送至微处理器芯片3内部封装的快速以太网模块(FEC =FastEthernet Channel)后能够实现链路层和网络层的数据交换能力从而进行指令操作，链路层主要用于完成以太网数据帧封装和解封，网络层主要功能是将网络地址(IP)翻译成对应的物理地址(MAC)，并决定如何将数据从发送方路由到接收方。物理地址具有唯一性，当通过微处理器芯片3中设置IP地址后就实现了 IP地址与物理地址的映射关系，从而使得所述以太网步进电机驱动控制器具备以太网通信能力。RJ45物理接口 201最常使用的双绞线布线标准有T568A标准和T568B标准两个，本实例选用T568B标准，其所描述的引脚顺序从左到右依次为:1_白橙、2-橙、3-白绿、4-蓝、5-白蓝、6-绿、7-白棕、8-棕，其中I号代表TX+，2号代表TX-，3号代表RX+，6号代表RX-，分别与以太网变压器芯片(202)的09号、11号、14号和16号引脚相连，同时需要将以太网变压器芯片202的2号、7号、10号和15号针脚连接至接地点，实现公共信号端接地。上位机I数据信息通过RJ45物理接口 201传输至以太网变压器芯片202后通过芯片内的功率放大回路放大后再由I号、3号、6号和8号针脚输出引出至以太网物理层芯片203的DP83848的13号、14号、16号和17号针脚，其中17号TD+，16号代表TD-，14号代表RD+，13号代表RD-，利用电压的差分信号实现数据的传递至以太网物理层芯片203。以太网物理层芯片203在本通讯电路中充当通讯判断控制器和物理层收发器的功能，通过对输入信号的能量判断来决定当前以太网通讯是否进入正常工作状态，目的是当双绞线上检测不到有效活动电平时，器件能够进入到休眠的低功耗状态，从而提供了一个智能节能工作模式。当以太网物理层芯片203判断到双绞线上有正常信号输入时，信号由其3号、4号、5号、6号、43号、44号、45号和46号针脚利用电压的差分信号输出实现数据的传递，其中3号TXD_0,4号代表TXD_1，5号代表TXD_2，6号代表TXD_3，43号RXD_0，44号代表RXD_1，45号代表RXD_2，46号代表RXD_3分别连接至微处理器芯片(3)的113号、112号、110号、109号、122号、123号、126号和127号引脚，将数据传递至微处理器芯片进行处理，为了保证数据信号的同步，还要从以太网物理层芯片203的I号和38号引脚引出TX_CLK时钟信号和RX_CLK时钟信号至微处理器芯片3的117号和120号引脚，当以太网为100MB/S模式时，时钟频率设置为25MHZ，当以太网为10MB/S模式时，时钟频率设置为2.5MHZ。从以太网物理层芯片(203)的2号引脚引出TX_EN使能信号至微处理器芯片3的116号引脚，供处理器判断TXD[3:0]引脚信号是否为有效信号。微处理器芯片3选用MCF52259AG80芯片，具有片上USB控制模块(USB2.0)、快速以太网模块(FEC:Fast Ethernet Channel)、CAN控制模块(支持CAN2.0B)、通用异步收发模块(UART)和加密模块，该芯片具备80MHZ处理速度，带有512KB的Flash ROM和64KB的SRAM,因此既能实现控制指令的动态读写也能固化工作软件和识别号于SRAM中。在本实例中主要使用该微处理器芯片的快速以太网功能(FEC)模块来智能地控制数据的收与发，按照图2的数据流之后处理后，上位机的控制指令保存于微处理器芯片3内部的以太网模块专用RAM区域，该RAM区域是作为所述芯片的FEC数据传输专用通道，总共有512个字节，它逻辑上被划分为发送堆栈和接受堆栈两部分，但是物理上仍然是连续的存储空间，控制指令从FEC的接收引脚接收后则保存于RAM的接收区域，然后通过片上的三个UART块发送数据。本实例选用第16号UTXDO引脚和第17号URXDO引脚用于传输同上位机接收到的数据至电机控制芯片401。完成上述数据流传递后使得所述以太网步进电机驱动控制器具备了以太网通信的能力。微处理器芯片3在本实例中除了用于固化现有程序和处理各种控制指令之外，另外一个主要的工作内容是进行通信中断控制管理，该芯片内部有两个中断控制器，每个中断控制器最多管理63个中断源，总共可以管理119个中断源。微处理器芯片3主要的中断控制流程如图4所示，首先FEC模块的输入IO会自动检测收到的数据报文中是否包含有效校验码，如果是有效校验码，则FEC模块的输入IO会将数据报文去掉数据头之后将数据内容存储于RAM中，并将中断标志位的值设置为I表示有正常数据到达，如果数据头中不包含有效的校验码就结束本次工作，中断控制器继续等待中断信号进入下一个工作周期。微处理器芯片3FEC模块的输出IO会周期的扫描中断标志位数值，当读取到通讯中断标志位为I的时，采用“先进先出”的原则将RAM内的数据发送至电机控制芯片401。电机控制芯片401采用GL1800D芯片来完成对控制数据的解释和转换，该芯片首先会对数据内容读取后进行判断，如果数据内容包含有电机标识号(A、B、C、D)中的一个或几个，那么该芯片会负责把接收到的数据内容转换成步进电机实际的控制脉冲(如运转方向、运转速度、运转细分数等)后，按照电机标识号对应的IO端口输出发送给相应的4个电机驱动芯片402中的一个或几个；如果发送过来的数据不包含电机标识号则默认给4个IO端口同时输出指令。步进电机驱芯片402采用两相步进电机驱动芯片A3977实现，所述电机控制芯片401的I/O 口与电机驱动芯片402通过引脚直接相连，电机驱动芯片402发送信号至信号发送芯片403进行功率放大后输出至步进电机，电机驱动芯片402发送信号A+、B+信号至信号发送芯片403的第1、第7引脚，同时还需要将信号发送芯片403的2个使能引脚第4、第8引脚设置为高电平使输入端信号为有效值，信号发送芯片403内芯片内部功率放大后通过第2、第6引脚将A+、B+信号发送至二相步进电机5的A+、B+、接线引脚上相连，通过第3、第5引脚将A-、B-信号发送至三相步进电机(5)的A-、B-、接线引脚上相连实现对步进电机驱动。请参阅图5，电机控制芯片401具体的控制流程为:主程序中首先是初始化整个程序的相关变量、相关标志位和微处理器芯片3的中断识别位后，开始等待中断和判断中断标志位是否为1，一旦产生中断程序首先关掉中断，电机控制芯片401开始接收FEC模块的输出IO发出的数据缓存区数据，并按照缓存区的内容设置电机转动速度、步数和转动方向，在电机控制芯片401的方向I/O 口发出转动方向逻辑信号，在电机控制芯片401脉冲I/
O口发送步进电机的脉冲信号，脉冲的数量由步进电机转动步数决定，相邻脉冲之间的时间由电机转动速度决定，处理完上述工作后开启通信中断等待，从命令处理子程序返回。为了实现多台步进电机的远程控制，只需要使用多个以太网步进电机驱动控制器，然后在每一个以太网步进电机驱动控制器的微处理器芯片(3)中设置不同的网络IP地址和固化不同的标识号，然后通过通信电路2并行连接至上位机1，上位机I发送的指令中通过网络IP地址和所述标识号来寻找对应的以太网步进电机驱动控制器，从而实现多台步进电机的控制。
本文中所描述的具体实施例仅是针对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
权利要求
1.一种以太网步进电机驱动控制器，其特征在于该控制器由通信电路(2)、微处理器芯片⑶和电机接口⑷组成，所述的通信电路⑵由RJ45物理接口(201)、以太网变压器芯片(202)、以太网物理层芯片(203)组成；所述电机接口(4)由电机控制芯片(401)、电机驱动芯片(402)和信号发送芯片(403)组成；所述微处理器芯片(3)与通信电路(2)中的以太网物理层芯片(203)相连，用以实现上位机指令数据传递至微处理器芯片内；所述微处理器芯片(3)与电机控制芯片(401)相连，用以实现将上位机控制指令数据下发至电机控制芯片内，来实现对步进电机运行状态的控制；所述电机驱动芯片(402)与信号发送芯片(403)相连，在信号发送芯片内完成电机驱动脉冲信号的功率放大工作；所述信号发送芯片(403)与多台步进电机(5)相连，用以实现对电机的驱动工作。
2.根据权利要求1所述的以太网步进电机驱动控制器，其特征在于所述的微处理器芯片(3)是 MCF52259CAG8。
3.根据权利要求1所述的以太网步进电机驱动控制器，其特征在于所述的通信电路(2)为10/100M以太网接口，通信电路⑵的以太网变压器芯片(202)选用H1102NL，以太网物理层芯片(203)选用DP83848。
4.根据权利要求1所述的以太网步进电机驱动控制器，其特征在于所述的电机接口(4)的电机控制芯片(401)是GL1800D芯片，该芯片具有多轴步进电机控制能力，可按照用户输入将控制指令传输至不同IO引脚输出；所述的电机驱动芯片(402)是A3977芯片，所述的信号发送芯片(403)是MC3486芯片，所述电机接口芯片与所述信号发送芯片(403)相连，所述信号发送芯片(403)相连与电机驱动芯片相连(402)，用以实现对同时对多轴步进电机的驱动控制。
5.根据权利要求1至4任一项所述的以太网步进电机驱动控制器，其特征在于所述的通信电路(2)、微处理器芯片(3)和电机接口(4)集成在一块电路板上。
全文摘要
一种以太网步进电机驱动控制器，该控制器由通信电路、微处理器芯片和电机接口组成，本发明具备可编程能力和以太网远程控制能力，具有结构简单、功能实用、操作方便、易于实现多台步进电机的控制等特点。
文档编号H02P8/00GK103151978SQ201310097369
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月25日 优先权日2013年1月10日
发明者曾沛颖, 汤晓云, 纪彤, 朱宝强, 朱健强 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所