本發(fā)明涉及電子測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于步進電機的驅(qū)動控制和轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在自動化控制系統(tǒng)中，步進電機是一種常用的裝置，尤其是在機械制造和精密測量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，傳統(tǒng)的步進電機驅(qū)動控制采用集成步進電機驅(qū)動器，主要是當集成步進電機驅(qū)動器收到一個脈沖信號，該脈沖信號驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。因此，脈沖信號數(shù)量的多少決定了轉(zhuǎn)角的角度的大小，脈沖信號的頻率的高低決定了轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)速的快慢，而脈沖信號的數(shù)量和頻率則由上位機軟件編程控制。這種步進電機的控制方式屬于開環(huán)控制，即控制信息只是單方面的從上位機經(jīng)過驅(qū)動器到達步進電機，而不能對步進電機實際轉(zhuǎn)動狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)(如每相中的實際工作電流，轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速)進行采樣反饋，難以保證步進電機轉(zhuǎn)動角度的精度，也不能發(fā)現(xiàn)如跳步，失步等步進電機轉(zhuǎn)動中可能出現(xiàn)的一些問題。

目前，在步進電機的轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)中，常用的元器件包括光電耦合器和光電編碼器等。其中，光電耦合器包括一個發(fā)射器(一般為LED)和一個接收器(一般為光電二極管)。在電機轉(zhuǎn)軸上安裝一轉(zhuǎn)盤，在轉(zhuǎn)盤上某些特定位置開設(shè)透明窗口，發(fā)射器和接收器分別固定在轉(zhuǎn)盤的兩側(cè)，發(fā)射器發(fā)出一道狹窄的光束，當電機轉(zhuǎn)動時，光束會透過窗口到達接收器或被轉(zhuǎn)盤非窗口處阻擋，接收器輸出相應(yīng)的高低電平信號，再通過專門的電路轉(zhuǎn)化為位置和轉(zhuǎn)角信息。但是，由于透明窗口只位于電機轉(zhuǎn)盤的某些特定位置，而轉(zhuǎn)角的信息是通過接收器有效信號的個數(shù)和相鄰兩個透明窗口之間的角度來計算，在透明串口相距較遠時，轉(zhuǎn)角測量的精度就會大大降低。光電編碼器是光電耦合器的延伸，只是轉(zhuǎn)盤的透明開口和非開口處交替覆蓋整個圓盤一周。這樣在電機轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)盤的角度位置就被轉(zhuǎn)換為成比例的高低脈沖信號。目前，傳統(tǒng)的光電編碼器屬于增量式編碼器，轉(zhuǎn)盤上某一固定位置開口被標記為清零位置，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一周輸出一個清零信號。這種方式有著明顯的缺點，即轉(zhuǎn)角信息是相對于清零位置的轉(zhuǎn)角信息，當編碼器不動或停電時，只能靠計數(shù)設(shè)備的記憶來記住當前位置，一旦出現(xiàn)干擾導(dǎo)致電機跳步或失步，記憶位置就會與實際位置有所偏移，并且這種偏移是無法獲得的，這樣，電機轉(zhuǎn)角的測試就會產(chǎn)生誤差甚至錯誤，無法對電機的實際轉(zhuǎn)動狀態(tài)進行準確監(jiān)測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，為解決現(xiàn)有的步進電機驅(qū)動控制和轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種用于步進電機的驅(qū)動控制和轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)是基于LMD18200芯片的步進電機閉環(huán)控制，并采用絕對式編碼器測量轉(zhuǎn)角；該測量系統(tǒng)包括：上位機，單片機控制器，步進電機驅(qū)動板，步進電機，聯(lián)軸器，絕對式編碼器和串口協(xié)議轉(zhuǎn)換器；該上位機通過USB信號線與該單片機控制器連接，該單片機控制器通過控制信號線和反饋信號線與該步進電機驅(qū)動板連接，該步進電機驅(qū)動板通過驅(qū)動電流線與該步進電機連接，該步進電機通過該聯(lián)軸器與該絕對式編碼器連接，該絕對式編碼器通過RS485串口線與該串口協(xié)議轉(zhuǎn)換器連接，該串口協(xié)議轉(zhuǎn)換器通過RS232串口線與該上位機連接，形成一個閉環(huán)控制。

所述上位機包括Keil uVvision4和Microsoft Visual Studio 2010，用于編譯控制信息代碼。

所述步進電機驅(qū)動板包括：74ALS367芯片，tlv5638芯片，lm555芯片，lm393-a比較器，lm393-b比較器，lmd18200芯片和電機；該74ALS367芯片通過管腳將數(shù)字信號傳入下一級該tlv5638芯片，該tlv5638芯片將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成目標模擬信號并傳入該lm393-a比較器的同向端中，來自該lmd18200芯片的反饋模擬信號通過管腳傳入該lm393-a比較器的反向端中，該反饋模擬信號與該目標模擬信號通過該lm393-a比較器進行比較，將比較結(jié)果傳入該lm555芯片，在由該lm555芯片構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，該比較結(jié)果生成了占空比可調(diào)的PWM信號，并被傳入該lm393-b比較器中，該lm393-b比較器與外圍電阻構(gòu)成反相器，在該反相器的反相作用下，該PWM信號被反相，并被傳入該lmd18200芯片，并在該lmd18200芯片中產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的電流驅(qū)動該電機轉(zhuǎn)動。

當該反饋模擬信號大于該目標模擬信號時，所述該lm393-a比較器的比較結(jié)果為低電平信號，則該低電平信號傳入該lm555芯片的管腳上，在該lm555芯片中生成了高電平PWM信號，再由該lm555芯片的另一管腳輸出該高電平PWM信號，該高電平PWM信號傳入該lm393-b比較器中，該lm393-b比較器與外圍電阻構(gòu)成反相器，在該反相器的反相作用下，該高電平PWM信號被轉(zhuǎn)換成低電平PWM信號，該低電平PWM信號傳入該lmd18200芯片中，產(chǎn)生的驅(qū)動電流減小，此時，該反饋模擬信號也隨之減小并最終等于該目標模擬信號，使步進電機以目標工作電流轉(zhuǎn)動。

當該反饋模擬信號小于該目標模擬信號時，所述該lm393-a比較器的比較結(jié)果為高電平信號，則該高電平信號傳入該lm555芯片的管腳上，在該lm555芯片中生成了低電平PWM信號，再由該lm555芯片的另一管腳輸出該低電平PWM信號，該低電平PWM信號傳入該lm393-b比較器中，該lm393-b比較器與外圍電阻構(gòu)成反相器，在該反相器的反相作用下，該低電平PWM信號被轉(zhuǎn)換成高電平PWM信號，該高電平PWM信號傳入該lmd18200芯片中，產(chǎn)生的驅(qū)動電流增大，此時，該反饋信號也隨之增大并最終等于該目標模擬信號，同樣使步進電機以目標工作電流轉(zhuǎn)動。

在該lm393-a比較器中，該反向端中的反饋模擬信號與電機繞組中的電流成377nA/1A比例關(guān)系。

該步進電機與該絕對式編碼器的軸心與該聯(lián)軸器的軸心在同一水平線上；該聯(lián)軸器分別與該步進電機的轉(zhuǎn)軸和該絕對式編碼器的轉(zhuǎn)軸之間通過螺釘鎖死，無縫隙，無打滑。

所述上位機通過Keil uVvision4編譯控制信息代碼，再通過USB信號線將該控制信息代碼下載到該單片機控制器中并在其中運行，該單片機控制器產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，通過控制信號線將該控制信號傳入該步進電機驅(qū)動板中，將該控制信號轉(zhuǎn)換成電流信號并驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，并對步進電機每相中的實際電流進行采樣并反饋到單片機控制器，實現(xiàn)對步進電機的閉環(huán)驅(qū)動控制。而步進電機的轉(zhuǎn)軸通過該聯(lián)軸器與該絕對式編碼器同軸連接，帶動該絕對式編碼器轉(zhuǎn)動，該絕對式編碼器將轉(zhuǎn)角信息通過RS485串口線傳入該串口協(xié)議轉(zhuǎn)換器，再通過RS232串口線傳入該上位機的軟件Microsoft Visual Studio 2010中，實現(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)角實時測量。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明中的所述步進電機驅(qū)動板是利用LMD18200芯片和外圍組件搭建的印制電路板，能夠同時實現(xiàn)對步進電機的驅(qū)動和電機每相繞組電流的采樣，屬于閉環(huán)控制方式，精度高，穩(wěn)定性好；所述絕對式編碼器中的每個編碼位置是唯一的，無需記憶，也無需清零參考點，編碼位置只與最終位置有關(guān)而與中間過程無關(guān)，因此，抗干擾性強，轉(zhuǎn)角測量準確且精度高；所述上位機中的軟件代碼為自行研制，電機控制部分流程清晰，步驟合理，無冗余，運行效率高，而轉(zhuǎn)角檢測部分時間分辨率高，實時性強，時間精度高達5毫秒，測量準確。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種用于步進電機的驅(qū)動控制和轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是圖1的本發(fā)明的一種用于步進電機的驅(qū)動控制和轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)中的步進電機驅(qū)動板的電路示意圖

圖3是本發(fā)明的一種用于步進電機的驅(qū)動控制和轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)的步進電機，聯(lián)軸器和絕對式編碼器的結(jié)構(gòu)連接示意圖

圖4是本發(fā)明的一種用于步進電機的驅(qū)動控制和轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)的上位機顯示的步進電機正常轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)角測量圖

圖5是本發(fā)明的一種用于步進電機的驅(qū)動控制和轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)的上位機顯示的步進電機發(fā)生跳步時的轉(zhuǎn)角測量圖

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

如圖1和3所示，本發(fā)明提供一種用于步進電機的驅(qū)動控制和轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)是基于LMD18200芯片的步進電機閉環(huán)控制，并采用絕對式編碼器測量轉(zhuǎn)角；該測量系統(tǒng)包括：上位機，單片機控制器，步進電機驅(qū)動板，步進電機，聯(lián)軸器，絕對式編碼器和串口協(xié)議轉(zhuǎn)換器；該上位機通過USB信號線與該單片機控制器連接，該單片機控制器通過控制信號線和反饋信號線與該步進電機驅(qū)動板連接，該步進電機驅(qū)動板通過驅(qū)動電流線與該步進電機連接，該步進電機通過該聯(lián)軸器與該絕對式編碼器連接，該絕對式編碼器通過RS485串口線與該串口協(xié)議轉(zhuǎn)換器連接，該串口協(xié)議轉(zhuǎn)換器通過RS232串口線與該上位機連接，形成一個閉環(huán)控制。

所述上位機包括Keil uVvision4和Microsoft Visual Studio 2010，用于編譯控制信息代碼。

如圖2所示，所述步進電機驅(qū)動板包括：74ALS367芯片，tlv5638芯片，lm555芯片，lm393-a比較器，lm393-b比較器，lmd18200芯片和電機；該74ALS367芯片通過管腳將數(shù)字信號傳入下一級該tlv5638芯片，該tlv5638芯片將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成目標模擬信號并傳入該lm393-a比較器的同向端中，來自該lmd18200芯片的反饋模擬信號通過管腳傳入該lm393-a比較器的反向端中，該反饋模擬信號與該目標模擬信號通過該lm393-a比較器進行比較，將比較結(jié)果傳入該lm555芯片，在由該lm555芯片構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，該比較結(jié)果生成了占空比可調(diào)的PWM信號，并被傳入該lm393-b比較器中，該lm393-b比較器與外圍電阻構(gòu)成反相器，在該反相器的反相作用下，該PWM信號被反相，并被傳入該lmd18200芯片，并在該lmd18200芯片中產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的電流驅(qū)動該電機轉(zhuǎn)動。

當該lm393-a比較器的比較結(jié)果是該反饋模擬信號大于該目標模擬信號時，所述比較結(jié)果為低電平信號，則該低電平信號傳入該lm555芯片的管腳上，在該lm555芯片中生成了高電平PWM信號，再由該lm555芯片的另一管腳輸出該高電平PWM信號，該高電平PWM信號傳入該lm393-b比較器中，該lm393-b比較器與外圍電阻構(gòu)成反相器，在該反相器的反相作用下，該高電平PWM信號被轉(zhuǎn)換成低電平PWM信號，該低電平PWM信號傳入該lmd18200芯片中，產(chǎn)生的驅(qū)動電流減小，此時，該反饋信號也隨之減小并最終等于該目標模擬信號，使步進電機以目標工作電流轉(zhuǎn)動。

當該lm393-a比較器的比較結(jié)果是該反饋模擬信號小于該目標模擬信號時，所述比較結(jié)果為高電平信號，則該高電平信號傳入該lm555芯片的管腳上，在該lm555芯片中生成了低電平PWM信號，再由該lm555芯片的另一管腳輸出該低電平PWM信號，該低電平PWM信號傳入該lm393-b比較器中，該lm393-b比較器與外圍電阻構(gòu)成反相器，在該反相器的反相作用下，該低電平PWM信號被轉(zhuǎn)換成高電平PWM信號，該高電平PWM信號傳入該lmd18200芯片中，產(chǎn)生的驅(qū)動電流增大，此時，該反饋信號也隨之增大并最終等于該目標模擬信號，同樣使步進電機以目標工作電流轉(zhuǎn)動。

在該lm393-a比較器中，該反向端中的反饋模擬信號與電機繞組中的電流成377nA/1A比例關(guān)系。

如圖2所示，該時鐘信號經(jīng)過該74ALS367芯片到達該tlv5638芯片，為該tlv5638芯片提供數(shù)模轉(zhuǎn)換所需的基準時鐘源，決定數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成目標模擬信號的速率。該片選信號經(jīng)過該74ALS367芯片到達該tlv5638芯片，當其為高電平時，表示該tlv5638芯片選通，開始數(shù)模轉(zhuǎn)換；當其為低電平時，表示該tlv5638芯片不選通，停止數(shù)模轉(zhuǎn)換。該方向信號經(jīng)過該74ALS367芯片到達該lmd18200芯片，當該方向信號為高電平時，步進電機正向轉(zhuǎn)動，當該方向信號為低電平時，步進電機反向轉(zhuǎn)動。

該步進電機與該絕對式編碼器的軸心與該聯(lián)軸器的軸心在同一水平線上；該聯(lián)軸器分別與該步進電機的轉(zhuǎn)軸和該絕對式編碼器的轉(zhuǎn)軸之間通過螺釘鎖死，無縫隙，無打滑。

所述上位機通過Keil uVvision4編譯控制信息代碼，再通過USB信號線將該控制信息代碼下載到該單片機控制器中并在其中運行，該單片機控制器產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，通過控制信號線將該控制信號傳入該步進電機驅(qū)動板中，該步進電機驅(qū)動板中，將該控制信號轉(zhuǎn)換成電流信號并驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，并對步進電機每相中的實際電流進行采樣并反饋到單片機控制器，實現(xiàn)對步進電機的閉環(huán)驅(qū)動控制。而步進電機的轉(zhuǎn)軸通過該聯(lián)軸器與該絕對式編碼器同軸連接，帶動該絕對式編碼器轉(zhuǎn)動，該絕對式編碼器將轉(zhuǎn)角信息通過RS485串口線傳入該串口協(xié)議轉(zhuǎn)換器，再通過RS232串口線傳入該上位機的軟件Microsoft Visual Studio 2010中，實現(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)角實時測量。

如圖4和5所示，在步進電機正常轉(zhuǎn)動時和發(fā)生跳步時，步進電機轉(zhuǎn)角隨時間的變化關(guān)系。圖4橫坐標為時間(單位：10^3毫秒)，縱坐標為轉(zhuǎn)角(單位：度)，圖4顯示了步進電機某次運行12秒內(nèi)的轉(zhuǎn)角測量結(jié)果，此時電機正常轉(zhuǎn)動。圖5橫坐標為時間(單位：5毫秒)，縱坐標為轉(zhuǎn)角(單位：度)，圖5顯示了步進電機某次轉(zhuǎn)動在第7380毫秒時發(fā)生跳步時的轉(zhuǎn)角測量結(jié)果，此時步進電機轉(zhuǎn)動一步的角度要比正常轉(zhuǎn)動時明顯偏大。圖4和圖5表明，該種用于步進電機的驅(qū)動控制和轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)步進電機的驅(qū)動控制和轉(zhuǎn)角的精確測量，亦能及時發(fā)現(xiàn)步進電機轉(zhuǎn)動時發(fā)生的失步或跳步問題。

最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。