线切割控制系统步进电机驱动电路的制作方法

本实用新型涉及线切割控制系统，尤其涉及线切割控制系统步进电机驱动电路。

背景技术：

现有快走丝线切割控制系统多采用步进电机驱动x、y、u、v轴，x、y、u、v轴步进电机驱动电源一般采用24v直流电源进行供电，开环控制，系统控制简单，成本低。

实际运行时，若步进电机以高速运行，则电气时间常数的影响显著增大：导通期间，电流不能迅速上升到额定值；截止期间，绕组电流不能立即消失。因而，电机产生的转距明显下降。除此之外，励磁绕组两端在截止时刻还会产生很高的反电势，若不采取措施，则有可能损坏开关元件。针对这些问题，通常对驱动电路有如下要求：

(1)能够改善电流波形的上升沿和下降沿，产生接近矩形的电流波形。考虑电路简单、成本低等因素，小功率步进电机可通过串联限流电阻减少时间常数、拓宽工作频率范围。但为了维持续电机静止时的相电流额定值，电源电压必须增加，因此需要的直流电源容量比较大。电机静止时，电源输出的主要部分消耗在串联的限流电阻上，这时限流电阻上产生的热量必须迅速散发，否则可能出现问题。由此可见，简单的串联限流电阻是改善速度度范围的一种低效的方法。对大功率或较大功率的步进电机而言，常使用高低压或斩波等方式驱动。这些驱动方式虽然较复杂，但驱动特性好，且有较高的效率。

(2)设置供截止期间释放电流能量的回路，降低绕组两端产生的反电势，加快电流衰减。

(3)要求驱动电路的功耗低、效率高。

技术实现要素：

本实用新型针对以上问题，提供了一种无论电机是在锁定状态还是在运行状态，均使导通相绕组的电流保持额定值的线切割控制系统步进电机驱动电路。

本实用新型的技术方案是：包括步进电机脉冲使能电路、步进电机驱动及斩波电路、全电流工作及半流锁定电流控制电路和微控制单元；

所述步进电机脉冲使能电路包括电容c1、光耦合器u1、电阻r2、电阻r3、反相器u2和电阻r4；

所述光耦合器u1的一连接端通过电阻r1与步进电机a相驱动脉冲信号端电性连接；

所述光耦合器u1的二连接端与步进电机a相驱动使能信号端电信连接；

所述电容c1的一端连接至所述步进电机a相驱动脉冲信号端与光耦合器u1之间，另一端连接至所述步进电机a相驱动使能信号端与光耦合器u1之间；

所述光耦合器u1的三连接端接地；

所述光耦合器u1的四连接端通过电阻r3与反相器u2的一连接端电性连接；

所述反相器u2的二连接端与所述步进电机驱动及斩波电路电性连接；

所述电阻r2的一端连接至电阻r3与光耦合器u1之间，另一端与电源连接；

所述电阻r4的一端连接至所述反相器u2与步进电机驱动及斩波电路之间，另一端与电源连接；

所述步进电机驱动及斩波电路包括门u3、电阻r5、场效应管q1、续流二极管d0、迟滞比较器u4、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r16和电容c2；

所述门u3、电阻r5和场效应管q1依次电性连接；

所述门u3的一连接端与所述反相器u2的二连接端电性连接；

所述场效应管q1的漏极通过步进电机绕组r1与工作电源电性连接；

所述续流二极管d0并联在所述步进电机绕组r1的两端；

所述迟滞比较器u4的二连接端与所述电阻r7的一端电性连接，另一端与场效应管q1的源极电性连接；

所述电阻r6的一端与场效应管q1的源极电性连接，另一端接地；

所述电容c2的一端连接至迟滞比较器u4于电阻r7之间，另一端接地；

所述电阻r8的一端与迟滞比较器u4的三连接端电性连接，另一端与全电流工作及半流锁定电流控制电路和微控制单元电性连接；

所述迟滞比较器u4的一连接端和电阻r9的一端分别与所述门u3的引脚二电性连接；所述电阻r9的另一端连接至迟滞比较器u4于电阻r8之间；

所述微控制单元的v2连接端与迟滞比较器u4的一连接端电性连接，所述电阻r16的一端电性连接在其之间，另一端与电源连接；

所述微控制单元的v0连接端连接至所述电阻r3与反相器u2之间；

所述全电流工作及半流锁定电流控制电路包括电阻r15、二极管d1、电阻r14、电容c4、电阻r12、电阻r13、运算放大器u5、电阻r10、电阻r11和电容c3；

所述微控制单元的v1连接端依次通过二极管d1、电阻r14与运算放大器u5的引脚三串联；所述电阻r15的一端连接至二极管d1与微控制单元之间，另一端与电源连接；

所述电阻r12的一端连接至电阻r14与比较器u5之间，另一端与电源连接；

所述电阻r13的一端连接至电阻r14与比较器u5之间，另一端接地；

所述电容c4的一端连接至电阻r14与比较器u5之间，另一端接地；

所述比较器u5的引脚一通过依次串联的电阻r10和电阻r11接地；

所述比较器u5的引脚二连接至比较器u5的引脚一与电阻r10之间；

所述电容c3并联在所述电阻r11的两端；

所述电阻r8与电容c3电性连接。

所述反相器u2的型号为74hc14d。

所述步进电机驱动及斩波电路还包括依次串联的电阻r70和二极管d70；

所述电阻r70的一端与二极管d70的一端电性连接，另一端连接至迟滞比较器u4与电阻r7之间；

所述二极管的另一端连接至场效应管q1与电阻r6之间。

所述二极管d70的负极端与电阻r70电性连接。

所述二极管d70的正极端与电阻r70电性连接。

本实用新型包括步进电机脉冲使能电路、步进电机驱动及斩波电路、全电流工作及半流锁定电流控制电路和微控制单元；步进电机驱动采用斩波恒流驱动方式，通过巧妙的电路设计，无论电机是在锁定状态还是在运行状态，均使导通相绕组的电流保持额定值。同时，解决了因不同单板机生产厂家的步进电机驱动脉冲参数不一致造成实际步进电机驱动电流偏大或偏小的问题。本实用新型具有结构紧凑合理，性能稳定，在锁定状态还是在运行状态，均使导通相绕组的电流保持额定值等特点。

附图说明

图1是本实用新型步进电机a相驱动电路工作原理图，

图2是图1中步进电机脉冲使能电路的放大电路原理图，

图3是图1中步进电机驱动及斩波电路的放大电路原理图，

图4是图1中全电流工作及半流锁定电流控制电路的放大电路原理图，

图5是降低步进电机输出电流的电路原理图，

图6是增大步进电机输出电流的电路原理图；

图中1是步进电机脉冲使能电路、2是步进电机驱动及斩波电路、3是全电流工作及半流锁定电流控制电路。

具体实施方式

本实用新型如图1-6所示，包括步进电机脉冲使能电路1、步进电机驱动及斩波电路2、全电流工作及半流锁定电流控制电路3和微控制单元；

所述步进电机脉冲使能电路1包括电容c1、光耦合器u1、电阻r2、电阻r3、反相器u2和电阻r4；

所述光耦合器u1的一连接端通过电阻r1与步进电机a相驱动脉冲信号端电性连接；

所述光耦合器u1的二连接端与步进电机a相驱动使能信号端电信连接；

所述电容c1的一端连接至所述步进电机a相驱动脉冲信号端与光耦合器u1之间，另一端连接至所述步进电机a相驱动使能信号端与光耦合器u1之间；

所述光耦合器u1的三连接端接地；

所述光耦合器u1的四连接端通过电阻r3与反相器u2的一连接端电性连接；

所述反相器u2的二连接端与所述步进电机驱动及斩波电路电性连接；

所述电阻r2的一端连接至电阻r3与光耦合器u1之间，另一端与电源连接；

所述电阻r4的一端连接至所述反相器u2与步进电机驱动及斩波电路之间，另一端与电源连接；

图1中步进电机脉冲使能电路，控制步进电机a相的控制脉冲输入及脉冲整形。当步进电机a相缺相时，禁止步进电机a相控制脉冲起作用。

所述步进电机驱动及斩波电路2包括门u3、电阻r5、场效应管q1、续流二极管d0、迟滞比较器u4、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r16和电容c2；

所述门u3、电阻r5和场效应管q1依次电性连接；

所述门u3的一连接端与所述反相器u2的二连接端电性连接；

所述场效应管q1的漏极通过步进电机绕组r1与工作电源电性连接；

所述续流二极管d0并联在所述步进电机绕组r1的两端；

所述迟滞比较器u4的二连接端与所述电阻r7的一端电性连接，另一端与场效应管q1的源极电性连接；

所述电阻r6的一端与场效应管q1的源极电性连接，另一端接地；

所述电容c2的一端连接至迟滞比较器u4于电阻r7之间，另一端接地；

所述电阻r8的一端与迟滞比较器u4的三连接端电性连接，另一端与全电流工作及半流锁定电流控制电路和微控制单元电性连接；

所述迟滞比较器u4的一连接端和电阻r9的一端分别与所述门u3的引脚二电性连接；所述电阻r9的另一端连接至迟滞比较器u4于电阻r8之间；

所述微控制单元的v2连接端与迟滞比较器u4的一连接端电性连接，所述电阻r16的一端电性连接在其之间，另一端与电源连接；

所述微控制单元的v0连接端连接至所述电阻r3与反相器u2之间；

图1中步进电机驱动及斩波电路，控制步进电机a相的通断及电流斩波。当步进电机a相控制脉冲起作用时，步进电机a相中产生电流，步进电机a相动作，并将a相电流通过电流取样电阻r6取样，u4比较器负责电流斩波。

所述全电流工作及半流锁定电流控制电路3包括电阻r15、二极管d1、电阻r14、电容c4、电阻r12、电阻r13、运算放大器u5、电阻r10、电阻r11和电容c3

所述微控制单元的v1连接端依次通过二极管d1、电阻r14与运算放大器u5的引脚三串联；所述电阻r15的一端连接至二极管d1与微控制单元之间，另一端与电源连接；

所述电阻r12的一端连接至电阻r14与运算放大器u5之间，另一端与电源连接；

所述电阻r13的一端连接至电阻r14与运算放大器u5之间，另一端接地；

所述电容c4的一端连接至电阻r14与运算放大器u5之间，另一端接地；

所述比较器u5的引脚一通过依次串联的电阻r10和电阻r11接地；

所述比较器u5的引脚二连接至运算放大器u5的引脚一与电阻r10之间；

所述电容c3并联在所述电阻r11的两端；

所述电阻r8与电容c3电性连接。

图1中全电流工作及半流锁定电流控制电路，控制步进电机处于正常驱动状态还是处于半流锁定状态。步进电机正常驱动机床工作时，步进电机输出全电流，此时图1中v1输出高电平；当机床的相应的轴处于暂停状态时，为避免产生偏移，必须使步进电机处于使能状态，输出一定电流，以避免外力或重力使该轴产生移位，此时v1输出低电平。具体全电流工作及半流锁定电流的大小由r8～r14决定，一般锁定状态的电流为正常驱动工作电流的一半左右，故俗称半流锁定。

图1为步进电机a相驱动电路工作原理图。ctr_a为步进电机a相驱动脉冲信号，ctr_0为步进电机a相驱动使能信号。当ctr_0为高电平时，禁止步进电机a相驱动脉冲信号ctr_a作用。当ctr_0为低电平时，允许步进电机a相驱动脉冲信号ctr_a作用，光耦u1的输出端4脚输出控制脉冲的反相脉冲，光耦u1起隔离作用。反相脉冲经反相器u2输出与起始a相驱动脉冲信号ctr_a同相的脉冲信号，反相器采用74hc14d,除使信号反相外，还能对输入脉冲进行整形。反相器u2输出的脉冲信号送入与门u3的输入端1脚，当与门u3的输入端2脚为高电平时，与门u3的输出端3脚输出步进电机a相驱动脉冲信号，经电阻r5驱动场效应管q1工作。图1中，r1为步进电机绕组，d0为续流二极管，24v为步进电机工作电源。当步进电机a相驱动脉冲信号为高电平时，场效应管q1导通，步进电机a相绕组r1通有电流；反之，当步进电机a相驱动脉冲信号为低电平时，场效应管q1截止，步进电机a相绕组r1没有电流。r6为取样电阻，将步进电机a相绕组r1的电流以电压形式经电阻r7和电容c2组成的一阶rc滤波器后送入比较器u4的反相输入端。

v0正常设置为mcu的输入端口，当mcu检测到步进电机a相缺相时，v0转变为mcu的输出端口，输出高电平，从而封锁步进电机驱动脉冲信号的输出。

v1设置为mcu的输出端口，步进电机正常工作13时：当v1输出低电平时，步进电机处于半流锁定状态；当v1输出高电平时，步进电机处于驱动工作状态。具体分析如下：

当v1输出低电平时，v4＝v3＝0.5v。

此时，迟滞比较器u4的上限翻转电平v8：即：v8＝0.2v。

迟滞比较器u4的下限翻转电平v8：即：v8＝0.1v。

这就是：

当v1输出高电平时，即：v3＝1.9v。

v4＝v3＝1.9v。

此时，迟滞比较器u4的上限翻转电平v8：即：v8＝0.4v。

迟滞比较器u4的下限翻转电平v8：即：v8＝0.3v。

步进电机驱动脉冲信号ctr_a频率一般为500hz以内，即2000μs。电阻r7和电容c2组成的一阶rc滤波器的时间常数为：r7c2＝10×10³×4.7×10^-9＝47μs。因此，步进电机驱动脉冲信号ctr_a的高电平期间，通过比较器u4，驱动脉冲信号将被斩波成为众多的子脉冲信号，通过比较器u4的输出端1送与门u3的输入端2脚，此时与门u3的输入端1脚为高电平，因此该子脉冲信号将通过与门u3输出端3经电阻r5驱动步进电机。步进电机驱动脉冲信号ctr_a的高电平期间，与门u3的输入端1脚为低电平，因此与门u3输出端3始终为低电平，无步进电机驱动脉冲信号。此时，比较器u4的反相输入端2脚为0，因此比较器u4的输出端1为高电平。

v2设置为mcu的输入端口。根据以上分析，步进电机驱动脉冲信号ctr_a的高电平期间，比较器u4的输出端1脚将有子脉冲信号出现。但当缺相时，由于v6始终为0，因此比较器u4的输出端1始终为高电平，由此mcu可以判断电机缺相，并将v0转变为mcu的输出端口，输出高电平，从而封锁步进电机驱动脉冲信号的输出。

所述反相器u2的型号为74hc14d。除使信号反相外，还能对输入脉冲进行整形。

快走丝线切割控制系统一般为各个生产厂家自行生产销售，步进电机的驱动脉冲信号来自于主控制系统，其脉冲频率等不受快走丝线切割控制系统的控制，各个主控制系统生产厂家的步进电机的驱动脉冲信号输出也不尽相同。因此，实际应用过程中，单纯使用上述步进电机驱动电路可能会出现输出电流偏大或偏小的情形。因此，本实用新型对上述驱动电路做了进一步改进。

所述步进电机驱动及斩波电路还包括依次串联的电阻r70和二极管d70；

所述电阻r70的一端与二极管d70的一端电性连接，另一端连接至迟滞比较器u4与电阻r7之间；

所述二极管的另一端连接至场效应管q1与电阻r6之间。

所述二极管d70的负极端与电阻r70电性连接。

所述二极管d70的正极端与电阻r70电性连接。

图2和图3分别为降低步进电机输出电流的改进电路和增大步进电机输出电流的改进电路。电路板设计时，预留d70和r70的位置，如果需要改进时再根据需要更改补焊元器件。

图2为降低步进电机输出电流的改进电路。与图1电路相比，增加了电阻r70和二极管d70，二极管d70的阳极与场效应管q1的源极相连，二极管d70的阴极与电阻r70相连。当场效应管q1导通时，电流通过r7//r70对电容c2充电，r7//r70为10//10＝5ω，因此充电至比较器u4的翻转电压的时间将大大缩短。当场效应管q1截止时，由于二极管d70的反向截止特性，与图1电路相比，电容c2上电压依然只经过电阻r7和r6放电。因此，输出驱动脉冲的占空比变小，步进电机驱动电流变小。实际过程中，电阻r7、r70的阻值可视具体情况进行调整。

图3为增大步进电机输出电流的改进电路。与图1电路相比，增加了电阻r70和二极管d70，二极管d70的阴极与场效应管q1的源极相连，二极管d70的阳极与电阻r70相连。当场效应管q1导通时，由于二极管d70的反向截止特性，与图1电路相比，电流依然通过r7对电容c2充电，因此充电至比较器u4的翻转电压的时间将大大缩短。当场效应管q1截止时，由于二极管d70的正向导通特性，与图1电路相比，电容c2上电压经过电阻r7//r70和r6放电，r7//r70为10//10＝5ω。因此，输出驱动脉冲的占空比变大，步进电机驱动电流变小。实际过程中，电阻r7、r70的阻值可视具体情况进行调整。

综上，本实用新型解决了因不同单板机生产厂家的步进电机驱动脉冲参数不一致造成实际步进电机驱动电流偏大或偏小的问题。

微控制单元的型号为stm8gc104r8。

对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：

(1)、本案所公开的实施例附图只涉及到与本案所公开实施例所涉及到的结构，其他结构可参考通常设计；

(2)、在不冲突的情况下，本案所公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例；

以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本案所公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。