[发明专利]全数字细分型高精度步进电机控制器

摘要

本发明涉及一种步进电机控制装置，特别是细分型、全数字步进电机控制器的控制方案和实现方法。该控制器是以高速单片微处理器为控制核心单元，配备步进电机控制接口电路、功率放大电路和与主计算机的异步串行通讯、同步串行通讯接口电路组成。控制器接收标准的TTL电平逻辑控制信号作为步进电机的控制信号，并与上层控制电路实现了全部的光电隔离。电机的输入脉冲控制信号最高频率可达1MHz，可以实现250分频，使电机的定位精度提高了250倍，减小了电机低速运行时的脉动，可在低速下(0.2rpm)稳定运行，运行中电机电流的变化量被严格控制，减小了系统在开、关时因电流突然变化对机械系统产生的冲击，特别适用于具有高精度、超低速运动控制要求的系统中。

主权项

1.一种全数字细分型高精度步进电机控制器，其特征在于它包括：中央处理单元(17)，与光电隔离单元(10，11，14，15)、状态检测(23)连接，从光电隔离单元(10，11，14，15)得到对步进电机运动命令电信号，从状态检测(23)得到步进电机运动状态电信号，中央处理单元(17)对这些电信号进行运算和逻辑判断，计算结果为步进电机定子电流的控制电信号，将该电信号给PWM调节器(16)，完成对步进电机定子电流的数字化控制，对步进电机运动系统的状态检测，与上层控制单元(与本控制器连接的系统主控计算机)进行数据，或信号通讯；同步串行通讯单元(8)，通过光电隔离单元(10)与中央处理单元(17)相连接，为控制器提供了一个标准的三线制同步串行通讯接口，中央处理单元可通过该单元与上层控制单元进行数据交换，接受命令；异步串行通讯单元(9)，通过光电隔离单元(11)与中央处理单元(17)相连接，为控制器提供了一个标准的二线制异步串行通讯接口，中央处理单元可通过该单元与上层控制单元进行数据交换，接受命令；步进电机控制输入(12)，通过光电隔离单元(14)与中央处理单元(17)连接，中央处理单元通过该单元接收标准形式的步进电机运动命令信号，依照这些信号的形式控制步进电机运动；状态输出单元(13)，通过光电隔离单元(15)与中央处理单元(17)连接，该单元将中央处理单元中存储的运动系统的各种状态，控制器本身的运动状态提供到上层控制单元中；光电隔离单元(10，11，14，15)，是利用光电原理传送信号，首先将光电隔离单元一侧的电信号转换为光信号，利用光传输信号，在光电隔离单元的另一侧，将接收到的光信号转换为电信号，使得光电隔离单元两端的电路之间没有电的连接，以便消除本控制器与上层控制单元之间的相互干扰；数字控制器(19)，是由中央处理单元中的控制软件组成的，该单元是两个控制特性、控制参数完全相同的电流控制器，接受数字形式的电流给定量与反馈量，输出数字形式的电流控制量，完成对步进电机定子两相绕组电流的完全对称控制；PWM调节器(16)，该单元接收数字控制器(19)输出的数字化电流控制量，并按照该控制量数值的大小，以预先设定好的频率，输出占空比与控制量数值成正比(或成反比)的脉冲形式的电压信号给功率放大器(18)；功率放大器(18)，该单元受PWM调节器(16)输出的控制，对PWM调节器(16)输出的脉冲形式的电压信号进行功率放大，该单元的输出为步进电机(5)的定子绕组供电；步进电机(5)，为两相(或四相)步进电机，该电机的定子具有两个结构、电气特性完全相同的绕组线圈，当两个线圈中通过一定形式的脉冲电流时，步进电机就会转动，旋转的速度与(18)输入脉冲的频率成正比，旋转的角度与(18)输入脉冲的个数成正比，旋转的方向与电机定子中两相绕组中脉冲式电流的相位有关；电流反馈(20)，该单元用于对步进电机定子中流过的电流进行取样，输出信号是与定子电流的大小成正比的电压信号；滤波与放大(7)单元接收(20)电流反馈信号，并对该信号进行滤波作用，以滤除掉电流反馈信号中混杂的高频噪声信号，同时对(20)的电流反馈信号进行电压放大；模拟——数字变换(6)接收经过滤波、放大(7)后的电流反馈信号，将这个模拟信号变换为数字形式的量，并输入到数字控制器(19)中；位置计数脉冲反馈(21)接收由步进电机(5)驱动的运动机构位置反馈装置发出的位置计数脉冲信号，并对该脉冲信号进行计数操作，单位时间内的计数值与电机运动速度成正比，该单元从位置反馈单元发出的位置计数脉冲信号中分辨出运动方向信号；脉冲整形单元(22)对代表位置反馈(21)的脉冲信号进行波形处理，去除混杂在信号中的干扰成分，使得脉冲信号规范，将此信号传送给数字控制器(19)；状态检测单元(23)检测运动系统中的状态信息，如运动的极限位置限位信号，某运动方向的初始位置(0位)信号，将检测到的这些信号输入到中央处理单元(17)中；