專利名稱：基于can總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)在數(shù)字控制系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)，具體地說是 一種基于CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置。
背景技術(shù)：
隨著步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)在各種數(shù)字控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，各種數(shù)字控制 系統(tǒng)隨步進(jìn)電機(jī)性能和使用條件的要求也越來越高。這就要求不斷研制出 高性能高可靠性高集成化低價位的驅(qū)動器滿足需求。眾所周知，國內(nèi)對這 方面的研究一直很活躍，但是可供選用的高性能的步進(jìn)動機(jī)驅(qū)動器卻很少， 而且國內(nèi)的驅(qū)動器方面基本都存在著體積大、外形尺寸不規(guī)則、性能指標(biāo) 不穩(wěn)定及遠(yuǎn)沒有達(dá)到系列化等問題，這就給驅(qū)動器的選用和安裝帶來了極 大的不便，國外雖然有通用的各種類型的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，但大都存在價 格昂貴，與我國的系統(tǒng)連接不匹配等問題。
步進(jìn)電機(jī)不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動器。步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的性能，除與步進(jìn)電機(jī)自身的性能有關(guān)外，也在 很大程度上取決于驅(qū)動器的性能。步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行時， 一般有以下問題
步進(jìn)電機(jī)的各相繞組都是開關(guān)工作，多數(shù)電機(jī)繞組都是連續(xù)的交流或 直流，而步進(jìn)電機(jī)的各相繞組都是脈沖式供電所以繞組電流不是連續(xù)的。
步進(jìn)電機(jī)各相繞組都是繞在鐵心上的線圈，所以都有較大的電感。繞 組通電時，電流不能迅速上升至額定值，電流上升率受到限制，繞組斷電 時，應(yīng)該電流截止的相不能立即截止。繞組導(dǎo)通和截止都會產(chǎn)生較大的反 電勢，而截止時反電勢將對驅(qū)動級器件的安全產(chǎn)生有害的影響。
步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時在各相繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，這些電勢的大小和方向 將對繞組電流產(chǎn)生很大的影響。由于旋轉(zhuǎn)電勢基本上與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比， 轉(zhuǎn)速越高，電勢越大，繞組電流越小，從而使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也隨著轉(zhuǎn)速升 高而下降。 、
步進(jìn)電機(jī)的固有分辨率不高，不能精密位移。以應(yīng)用最廣的8極50齒 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)為例，其步距角為0.9°/1.8°,需配合機(jī)械減速機(jī)構(gòu)以達(dá) 到所需要的脈沖當(dāng)量精度，但是，機(jī)械系統(tǒng)的增加也同時帶來了一個誤差源。
步進(jìn)電機(jī)在低頻運(yùn)行時的振蕩及過沖問題，嚴(yán)重限制了步進(jìn)電動機(jī)的應(yīng)用范圍。對這個問題的解決辦法，除了改善負(fù)載特性及附加機(jī)械阻尼外， 還可以在驅(qū)動電源方面加以改善，如引入電磁阻尼、釆用細(xì)分驅(qū)動等辦法 來解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決以上問題，提供 一 種能實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩不隨
著轉(zhuǎn)速升高而下降、分辨率高、應(yīng)用范圍廣的基于CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 動控制的裝置，使外圍電路簡單，接口能力強(qiáng)、成本低、可選資源豐富。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了上述目的的技術(shù)方案包括中央處理單元，所述中央處 理單元與CAN總線接口電路相連，用于接收上位機(jī)的控制信號和上傳步進(jìn) 電機(jī)的轉(zhuǎn)角信息；與LED指示電路相連，用于指示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)； 與AD轉(zhuǎn)換電路相連，用于檢測步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，以便控制器實(shí)現(xiàn)位 置閉環(huán)；與鍵盤掃描電路相連，用于設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)和相繞組的最 大電流值；
斬波恒流驅(qū)動電路，與中央處理器通訊，輸出接步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制
驅(qū)動控制電路，其輸入與中央處理器通訊，并接收斬波恒流驅(qū)動電路 輸出信號，輸出至兩相步進(jìn)電機(jī)；
電流檢測電路，接收驅(qū)動控制電路的輸出信號，輸出至斬波恒流驅(qū)動 電路。
所述斬波恒流驅(qū)動電路由D/A轉(zhuǎn)換器，第一比較器、第二比較器，第 一D觸發(fā)器、第二D觸發(fā)器組成，其中D/A轉(zhuǎn)換器接收來自中央處理單 元的控制信號和數(shù)據(jù)，D/A轉(zhuǎn)換器將電壓信號輸出給第一比較器、第二比 較器的正向輸入端，第一比較器、第二比較器的負(fù)向輸入端接收電流檢測 電路檢測到的電壓信號，第一比較器、第二比較器的輸出端接第一D觸發(fā) 器、第二D觸發(fā)器的CD端，第一D觸發(fā)器、第二D觸發(fā)器的CLK端還 接收中央處理單元輸出的方波信號，第一D觸發(fā)器、第二D觸發(fā)器的輸出 端Q接至驅(qū)動控制電路的使能端，實(shí)現(xiàn)恒流、斬波功能。
所述電流檢測電路包括釆樣電阻，由第40電阻和第40電容構(gòu)成的低通 濾波電路和由第41 42電阻和運(yùn)算放大電路構(gòu)成的放大電路，其輸入端通過 釆樣電阻與驅(qū)動控制電路的相連，將電樞電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，以獲得 步進(jìn)電機(jī)的電樞電流，釆樣電阻上的電壓信號經(jīng)所述低通濾波電路，輸出頻 率與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速相對應(yīng)、相位與步進(jìn)電機(jī)相繞組的相位相對應(yīng)、幅值與步 進(jìn)電機(jī)線繞組電流成正比的信號，經(jīng)放大電路輸出給斬波恒流驅(qū)動電路；
所述驅(qū)動控制電路由第一 二三輸入與門、雙H橋驅(qū)動器、第一、二、三、四反向器組成，其中第一 二三輸入與門接收中央處理器和斬波恒流驅(qū) 動電路的輸出信號，輸出接至雙H橋驅(qū)動器；第一、二、三、四反向器接
收中央處理器的方向控制信號，輸出接至雙H橋驅(qū)動器；雙H橋驅(qū)動器的 輸出端連接到步進(jìn)電機(jī)的相繞組上；
所述CAN總線通訊電路由第一 二光電耦合器、CAN收發(fā)器、DC/DC 隔離電源組成，第一光電耦合器的輸入端與中央處理器的TD1端相連，輸 出給CAN收發(fā)器；第二光電耦合器的輸入端與CAN收發(fā)器相連，輸出給 中央處理器的RD1端；CAN收發(fā)器的CANH、 CANL經(jīng)接口 X2與CAN 總線相連；所述DC/DC隔離電源為CAN總線提供電源，以實(shí)現(xiàn)CAN總線 與系統(tǒng)的電源的隔離。
釆用以上方案的有益效果
1、 避免了步進(jìn)電機(jī)工作時的共振點(diǎn)。步進(jìn)電動機(jī)由其自身原因，導(dǎo)致 其電器機(jī)械特性在某個頻率下，會產(chǎn)生丟步或跳步現(xiàn)象。采用細(xì)分驅(qū)動控制 電路后，改善了電器特性，消除了共振點(diǎn)，解決了低頻振蕩問題。細(xì)分后， 驅(qū)動電流的變化幅度減小，故轉(zhuǎn)子達(dá)到平衡位置時的過剩能量也減少。另一 方面，控制信號的頻率提髙了N倍(細(xì)分?jǐn)?shù))，可遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子的低頻諧振頻率。
2、 低頻、低轉(zhuǎn)速工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩增大，噪聲降低。由于釆用了細(xì)分驅(qū) 動控制電路，在低速工作時電機(jī)的加速力矩明顯減小，因為工作力矩=(輸 出力矩一加速力矩)，輸出力矩為步進(jìn)電機(jī)靜止時可產(chǎn)生的最大力矩，它的 值一般大于工作輸出力矩。由于加速力矩的減小，可以使輸出工作力矩增加， 所以細(xì)分后電機(jī)變得有勁，帶負(fù)載能力提高，尤其在啟動和低速狀態(tài)。由于 加速度的減小，步進(jìn)電動機(jī)低速運(yùn)行噪聲也大大減小，改善了工作環(huán)境。
3、 在不改變電機(jī)內(nèi)部參數(shù)的情況下，減小步距角、減小步進(jìn)誤差，即 提高了分辨率和步距精度。
4、 應(yīng)用范圍廣。本發(fā)明不僅可以應(yīng)用于兩相步進(jìn)電機(jī)的控制，還適用 于直流有刷電機(jī)的控制。


圖l、本發(fā)明電源部分結(jié)構(gòu)框示意圖。
圖2、本發(fā)明實(shí)施例整體結(jié)構(gòu)方框圖示意圖。
圖3、本發(fā)明圖2的中央處理器ARM7部分電路原理示意圖。
圖4、本發(fā)明圖2的斬波恒流驅(qū)動電路部分結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖5、本發(fā)明圖2中電流釆樣電路原理示意圖。
圖6、本發(fā)明圖2中驅(qū)動控制部分電路原理示意圖。
圖7、本發(fā)明圖2中CAN通訊總線接口電路部分電路原理示意圖。，
具體實(shí)施例方式
下面通過具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對本使用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
如圖l所示，基于CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置的電源部分，包括濾 波電路10-1、電壓轉(zhuǎn)換模塊10-2、穩(wěn)壓電路A10-3和穩(wěn)壓電路B10-4。輸 入電源經(jīng)濾波電路10-1濾波后輸入給電壓轉(zhuǎn)換模塊10-2,該電壓轉(zhuǎn)換模塊 輸出5V的直流電壓用于對電路的有源器件供電；該5V的直流電壓再經(jīng)過 穩(wěn)壓電路A 10-3和穩(wěn)壓電路B 10-4分別輸出3.3V、 1.8V電壓供給中央處 理器1。該電壓轉(zhuǎn)換模塊10-2的輸入電壓最高可達(dá)40V，這樣就可以使該 驅(qū)動裝置用于不同電壓等級的步進(jìn)電機(jī)。
如圖2所示，本例中的基于CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置包括中央處 理單元1、斬波恒流驅(qū)動電路2、驅(qū)動控制電路3、電流檢測電路4、 CAN 總線接口電路5、 LED指示電路6、 AD轉(zhuǎn)換電路7、鍵盤掃描電路8，所述 斬波恒流驅(qū)動電路2的輸入與中央處理器1和電樞電流檢測電路4相連， 輸出與步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制電路3相連。驅(qū)動控制電路3的輸出端至兩相 步進(jìn)電機(jī)，電流檢測電路4的輸入端接收驅(qū)動控制電路3的信號。與中央 處理單元1相連的CAN總線接口電路5用于接收上位機(jī)的控制信號和上傳 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角信息，LED指示電路6用于指示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，AD 轉(zhuǎn)換電路7用于檢測步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，以便控制器實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)；鍵 盤掃描電路8用于設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)和相繞組的最大電流值。
如圖3所示，中央處理單元1釆用32/16位ARM7TDMI-S微控制器 Ul,主要負(fù)責(zé)處理控制步進(jìn)電機(jī)的時序和與上位機(jī)進(jìn)行通信。該微處理器 的功耗極低，帶有4路10位的ADC， 2路CAN控制器，2個32位定時器， PWM單元等外設(shè)，滿足對步進(jìn)電機(jī)的控制要求，并可提供CAN總線接口。
如圖4所示，所述斬波恒流驅(qū)動電路2的輸入端與中央處理單元1、電 流檢測電路4相連，輸出端與驅(qū)動控制電路3的輸入端相連。所述斬波恒流 驅(qū)動電路2由D/A轉(zhuǎn)換器U10,第一比較器U11A、第二比較器U11B，第 一D觸發(fā)器U12A、第二D觸發(fā)器U12B組成，其中D/A轉(zhuǎn)換器U10接收 來自中央處理單元1的控制信號和數(shù)據(jù)，D/A轉(zhuǎn)換器U10將電壓信號輸出給 第一比較器U11A、第二比較器U11B的正向輸入端，第一比較器U11A、第 二比較器Ul 1B的負(fù)向輸入端接收電流檢測電路4檢測到的電壓信號，第一 比較器U11A、第二比較器U11B的輸出端接第一D觸發(fā)器U12A、第二D 觸發(fā)器U12B的CD端，第一D觸發(fā)器U12A、第二 D觸發(fā)器U12B的CLK 端還接收中央處理單元l輸出的方波信號，第一D觸發(fā)器U12A、第二D觸 發(fā)器U12B的輸出端Q接至驅(qū)動控制電路3的使能端，實(shí)現(xiàn)恒流、斬波功能。如圖5所示，所述電流檢測電路4包括釆樣電阻RS2,由第40電阻R40 和第40電容C40構(gòu)成的低通濾波電路和由第41~42電阻R41、 R42和運(yùn)算 放大電路U16A構(gòu)成的放大電路，其輸入端通過釆樣電阻與驅(qū)動控制電路3 的相連，將電樞電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，以獲得步進(jìn)電機(jī)的電樞電流， 釆樣電阻RS2上的電壓信號經(jīng)所述低通濾波電路，輸出頻率與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn) 速相對應(yīng)、相位與步進(jìn)電機(jī)相繞組的相位相對應(yīng)、幅值與步進(jìn)電機(jī)線繞組 電流成正比的信號，經(jīng)放大電路輸出給斬波恒流驅(qū)動電路2。
如圖6所示，所述驅(qū)動控制電路3由第一 二三輸入與門U14B U14C、 雙H橋驅(qū)動器U13、第一、二、三、四反向器U15A、 U15D、 U15E、 U15F 組成，其中第一 二三輸入與門U14B U14C接收中央處理器1和斬波恒流 驅(qū)動電路2的輸出信號，輸出接至雙H橋驅(qū)動器U13;第一、二、三、四 反向器U15A、 U15D、 U15E、 U15F接收中央處理器1的方向控制信號， 輸出接至雙H橋驅(qū)動器U13;雙H橋驅(qū)動器U13的輸出端連接到步進(jìn)電機(jī) 的相繞組上。
如圖7所示，所述CAN總線通訊電路5由第一 二光電耦合器U5 U6、 CAN收發(fā)器U7、 DC/DC隔離電源U8組成，第一光電耦合器U5的輸入端 與中央處理器1的TD1端相連，輸出給CAN收發(fā)器U7;第二光電耦合器 U6的輸入端與CAN收發(fā)器U7相連，輸出給中央處理器1的RD1端；CAN 收發(fā)器U7的CANH、 CANL經(jīng)接口 X2與CAN總線相連；所述DC/DC隔 離電源U8為C AN總線提供電源，以實(shí)現(xiàn)C AN總線與系統(tǒng)的電源的隔離。
本發(fā)明成本低，抗干擾能力強(qiáng)，可選資源豐富，具有良好的技術(shù)及竟 爭優(yōu)勢。
權(quán)利要求
1. 一種基于CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置，其特征在于包括中央處理單元(1)，所述中央處理單元(1)與CAN總線接口電路(5)相連，用于接收上位機(jī)的控制信號和上傳步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角信息；與LED指示電路(6)相連，用于指示步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；與AD轉(zhuǎn)換電路(7)相連，用于檢測步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，以便控制器實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)；與鍵盤掃描電路(8)相連，用于設(shè)置步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分?jǐn)?shù)和相繞組的最大電流值；斬波恒流驅(qū)動電路(2)，與中央處理器(1)通訊，輸出接步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制電路(3)；驅(qū)動控制電路(3)，其輸入與中央處理器(1)通訊，并接收斬波恒流驅(qū)動電路(2)輸出信號，輸出至兩相步進(jìn)電機(jī)；電流檢測電路(4)，接收驅(qū)動控制電路(3)的輸出信號，輸出至斬波恒流驅(qū)動電路(2)。
2. 如權(quán)利要求1所述基于CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置，其特征是 所述斬波恒流驅(qū)動電路(2)由D/A轉(zhuǎn)換器(U10),第一比較器(U11A)、 第二比較器(U11B),第一D觸發(fā)器(U12A)、第二D觸發(fā)器(U12B)組 成，其中D/A轉(zhuǎn)換器(U10)接收來自中央處理單元(1)的控制信號和 數(shù)據(jù)，D/A轉(zhuǎn)換器(U10)將電壓信號輸出給第一比較器(U11A)、第二比 較器(U11B)的正向輸入端，第一比較器(U11A)、第二比較器(U11B) 的負(fù)向輸入端接收電流檢測電路(4)檢測到的電壓信號，第一比較器(U11A)、第二比較器(U11B)的輸出端接第一D觸發(fā)器(U12A)、第二 D觸發(fā)器(U12B)的CD端，第一D觸發(fā)器(U12A)、第二D觸發(fā)器(U12B) 的CLK端還接收中央處理單元(1 )輸出的方波信號，第一 D觸發(fā)器(U12A )、 第二D觸發(fā)器(U12B)的輸出端Q接至驅(qū)動控制電路(3)的使能端，實(shí) 現(xiàn)恒流、斬波功能。
3. 如權(quán)利要求1所述基于CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置，其特征是 所述電流檢測電路(4)包括釆樣電阻(RS2)，由第40電阻(R40)和第 40電容(C40)構(gòu)成的低通濾波電路和由第41 42電阻(R41 R42)和運(yùn)算 放大電路(U16A)構(gòu)成的放大電路，其輸入端通過釆樣電阻與驅(qū)動控制電 路(3)的相連，將電樞電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，以獲得步進(jìn)電機(jī)的電樞 電流，采樣電阻(RS2)上的電壓信號經(jīng)所述低通濾波電路，輸出頻率與步 進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速相對應(yīng)、相位與步進(jìn)電機(jī)相繞組的相位相對應(yīng)、幅值與步進(jìn)電機(jī)線繞組電流成正比的信號，經(jīng)放大電路輸出給斬波恒流驅(qū)動電路(2)。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置，其特征 是所述驅(qū)動控制電路(3)由第一 二三輸入與門(U14B U14C)、雙H 橋驅(qū)動器(U13)、第一、二、三、四反向器(U15A、 U15D、 U15E、 U15F) 組成，其中第一 二三輸入與門(U14B U14C)接收中央處理器(1)和斬 波恒流驅(qū)動電路(2)的輸出信號，輸出接至雙H橋驅(qū)動器(U13);第一、 二、三、四反向器(U15A、 U15D、 U15E、 U15F)接收中央處理器(1) 的方向控制信號，輸出接至雙H橋驅(qū)動器U13;雙H橋驅(qū)動器(U13)的 輸出端連接到步進(jìn)電機(jī)的相繞組上。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置，其特征 是所述CAN總線通訊電路(5)由第一 二光電耦合器(U5 U6)、 CAN 收發(fā)器(U7)、 DC/DC隔離電源(U8)組成，第一光電耦合器(U5)的輸 入端與中央處理器(1)的TD1端相連，輸出給CAN收發(fā)器(U7);第二 光電耦合器(U6)的輸入端與CAN收發(fā)器(U7)相連，輸出給中央處理 器(1 )的RD1端；CAN收發(fā)器(U7 )的CANH、 CANL經(jīng)接口 X2與CAN 總線相連；所述DC/DC隔離電源(U8 )為CAN總線提供電源，以實(shí)現(xiàn)CAN 總線與系統(tǒng)的電源的隔離。
6. 如權(quán)利要求1所述基于CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置，其特征是 所述中央處理單元(1 )釆用32/16位ARM7TDMI-S微控制器。
7. 如權(quán)利要求1或2所述基于CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置，其特 征是還包括電源部分，它的輸入端與直流電壓12V 40V相連，經(jīng)過電壓 轉(zhuǎn)換后輸出5V電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置。包括中央處理單元，與CAN總線接口電路、LED指示電路、AD轉(zhuǎn)換電路、鍵盤掃描電路相連；斬波恒流驅(qū)動電路，與中央處理器通訊，輸出接步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動控制電路；驅(qū)動控制電路，其輸入與中央處理器通訊，并接收斬波恒流驅(qū)動電路輸出信號，輸出至兩相步進(jìn)電機(jī)；電流檢測電路，接收驅(qū)動控制電路的輸出信號，輸出至斬波恒流驅(qū)動電路；輸出端分別與中央處理器及驅(qū)動控制電路相連接。本發(fā)明不僅具有能實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩不隨著轉(zhuǎn)速升高而下降、分辨率高、應(yīng)用范圍廣特點(diǎn)，還具有成本低、抗干擾能力強(qiáng)、可選資源豐富及良好的技術(shù)及競爭優(yōu)勢。
文檔編號G05B19/418GK101452286SQ200710158649
公開日2009年6月10日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者張進(jìn)東, 凱 賈, 鄭春暉, 陳為廉, 輝 魏 申請人:沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司