CN101119092A - 高细分集成式步进电机驱动器 - Google Patents

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高细分集成式步进电机驱动器，本发明涉及一种步进电机的驱动器。它克服了现有步进电机驱动器的细分数不高而造成步进电机步距角分辨率不高，存在低频振荡和失步的缺陷。它包括全桥PWM变换器，还包括加速信号输入器、减速信号输入器、转速寄存器、CP脉冲生成器、细分波形发生器、PWM信号生成器，加速信号输入器和减速信号输入器通过加减数码来选定输出转速，通过转速选定CP脉冲频率和电机相电流正弦波形的细分等级，细分波形发生器按照CP脉冲到来的频率，依次输出按照选定细分级数划分后的每个相电流波形，后生成各相PWM信号，上述控制电路基于FPGA实现且相电流正弦波形的按时间顺序划分从16细分到4096细分之间阶梯分级。

Description

高细分集成式步进电机驱动器
技术领域
本发明涉及一种步进电机的驱动器。
背景技术
目前步进电机驱动器的控制芯片采用的是单片机或DSP，逻辑单元由分立元件组成，采用软件进行控制，因而驱动器可靠性不高，存在电磁干扰，需要采用抗干扰措施，而且软件程序容易死机，虽然通过设置“陷阱”可以使***恢复，但对传动机构会造成不可恢复的故障。另外受芯片工作频率和存贮容量的限制，驱动器的细分数不高，一般最大为256细分，所以造成步进电机步距角分辨率不高，存在低频振荡和失步现象。步进电机驱动器的转速与细分数之间关系非常密切，在同一转速下，采用不同的细分等级，存在不同的转速误差，目前的细分驱动器虽然将细分数分为几个不同的等级，细分等级的切换通过人为进行设定，没有考虑到不同细分等级造成的转速误差，因而造成步进电机定位精度不高。以上存在的问题制约了步进电机的应用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种高细分集成式步进电机驱动器，以克服现有步进电机驱动器的细分数不高而造成步进电机步距角分辨率不高，存在低频振荡和失步的缺陷。它包括全桥PWM变换器1，它还包括加速信号输入器2、减速信号输入器3、转速寄存器6、CP脉冲生成器7、细分级数选定器8、细分波形发生器9、A相PWM信号生成器14、B相PWM信号生成器15和C相PWM信号生成器16，转速寄存器6的输入端连接加速信号输入器2和减速信号输入器3的输出端以实现通过加或减数码来选定电机的输出转速，转速寄存器6的一个输出端连接CP脉冲生成器7的输入端以通过转速选定CP脉冲频率并输出CP脉冲，转速寄存器6的另一个输出端连接细分级数选定器8以通过转速选定电机相电流正弦波形的细分等级，细分波形发生器9的两个输入端分别连接CP脉冲生成器7的输出端和细分级数选定器8的输出端以实现按照CP脉冲到来的频率按细分等级依次读取细分波形发生器9内ROM所存的正弦表数据并将其输出作为每个相的参考相电流电流波形，细分波形发生器9的三个输出端分别连接A相PWM信号生成器1、B相PWM信号生成器15和C相PWM信号生成器16的输入端以生成各相PWM信号且使各相PWM信号相位相差120度，A相PWM信号生成器14、B相PWM信号生成器15和C相PWM信号生成器16的输出端分别连接全桥PWM变换器1的三个控制端以实现对其的PWM运行方式的控制，所述加速信号输入器2、减速信号输入器3、转速寄存器6、CP脉冲生成器7、细分级数选定器8和细分波形发生器9在一片FPGA内部实现的，并且电机相电流正弦波形按电机转速在16细分到4096细分之间自动分级。
本发明的驱动器工作时，全桥PWM变换器1的输入端连接直流电压，A、B、C三相输出端连接步进电机17的输入端。加速信号输入器2、减速信号输入器3、转速寄存器6、CP脉冲生成器7、细分级数选定器8和细分波形发生器9全部采用硬件逻辑电路设计，集成到单一的FPGA芯片中，完成了步进电机控制***各部分IP核设计，大大提高了***的可靠性，降低了设计成本。对于PWM信号生成和电流反馈信号的精度达到14位，极大地提高了控制精度。电机相电流正弦波形实现了从16细分到4096细分之间阶梯细分，以速度误差最小原则的全自动细分等级切换，无需用户干预。特别是低速下的4096超高细分设计消除了步进电机存在的低频振荡问题，1转时的最大步数为204800，步距角最小为0.00175°，提高了步距角的分辨率
提高***可靠性和细分精度，减小速度误差，速度误差小于0.01％，克服了现有技术的缺陷。
附图说明
图1是本发明实施方式一的结构示意图，图2是实施方式二的结构示意图，图3是实施方式三和四的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式由全桥PWM变换器1、加速信号输入器2、减速信号输入器3、转速寄存器6、CP脉冲生成器7、细分级数选定器8、细分波形发生器9、A相PWM信号生成器14、B相PWM信号生成器15和C相PWM信号生成器16，转速寄存器6的输入端连接加速信号输入器2和减速信号输入器3的输出端以实现通过加或减数码来选定电机的输出转速，转速寄存器6的一个输出端连接CP脉冲生成器7的输入端以通过转速选定CP脉冲频率并输出CP脉冲，转速寄存器6的另一个输出端连接细分级数选定器8以通过转速选定电机相电流正弦波形的细分等级，细分波形发生器9的两个输入端分别连接CP脉冲生成器7的输出端和细分级数选定器8的输出端以实现按照CP脉冲到来的频率，按细分等级依次读取细分波形发生器9内ROM所存的正弦表数据并将其输出作为每个相的参考相电流电流波形，细分波形发生器9的三个输出端分别连接A相PWM信号生成器1、B相PWM信号生成器15和C相PWM信号生成器16的输入端以生成各相PWM信号且使各相PWM信号相位相差120度，A相PWM信号生成器14、B相PWM信号生成器15和C相PWM信号生成器16的输出端分别连接全桥PWM变换器1的三个控制端以实现对其的PWM运行方式的控制，所述加速信号输入器2、减速信号输入器3、转速寄存器6、CP脉冲生成器7、细分级数选定器8和细分波形发生器9基于FPGA实现且电机相电流正弦波形的按按电机转速在16细分到4096细分之间自动分级。
细分波形发生器9根据输入的转速，产生相对应频率的CP信号，实现对步进电机的速度控制，设计中采用的是速度开环控制。不同的转速下对应的CP脉冲频率不同，因此在改变转速时要更新速度寄存器的值。FPGA内部例化了一个深度为1024，宽度为18位的单端口的BLOCK ROM，ROM中初始化一个CP脉冲频率数据表。数据表的地址设定为电机的转速，地址对应的数据是在该转速下的细分等级和CP脉冲频率，数据的高4位存储为此速度下的最佳细分等级，低14位为CP脉冲的频率。因此，对于每一个转速信号，通过查表得到对应的脉冲频率数据，将此数值作为计数器的限值，内部的计数器以这个限值为初值进行减计数，每次减计数后，与预先设定的最小值比较，两者相等时，计数溢出，即产生一个CP脉冲。ROM的初始值为4096细分后一个周期的正弦数据，正弦表的幅值由驱动***的最大额定电流决定，输出的给定电流的幅值根据外部用户输入电流值进行调节，电流调节精度为18位，离散误差为0.00003A。捕获到CP脉冲后，根据依次给出的三相绕组对应的地址数据，可查得正弦表中设定的三相绕组额定电流值，并同时更新三个给定数据寄存器，根据输入的电流值，对给定电流进行调节。三相绕组的给定电流共用一个正弦表，三相绕组电流遵循互差120°的原则。三相绕组的地址数据每次的增量由在给定速度下的最佳细分等级决定。
具体实施方式二：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是它还包括转向信号输入器4、多路选择开关10和电流信号输入器5，电流信号输入器5的输出端连接细分波形发生器9的又一个输入端以实现对细分波形发生器9中电机相电流正弦波形幅值的调整，转向信号输入器4的输出端连接多路选择开关10的控制端，多路选择开关10设置在从细分波形发生器9到A相PWM信号生成器10、B相PWM信号生成器11和C相PWM信号生成器12之间三个输出通道上的任意两个输出通道上以实现通过改变相序完成电机旋转方向的改变。细分波形发生器9捕获到CP脉冲后根据输入的电流幅值与转向信号以及最佳细分等级产生细分数自动调节的三相给定正弦电流。当然也可以通过在细分波形发生器9中用反向查表法实现A相PWM信号、B相PWM信号和C相PWM信号相序的改变来完成电机旋转方向的选择，以取代多路选择开关10。反向查表法是指当步进电机转向需要改变时，把CP脉冲频率数据表的地址计数器递减计数，反向查地址，从而改变电流方向以实现换向。
本实施方式中采用Xilinx公司的XC3S400-4PQ208C型号的FPGA来构建步进电机的控制***，将步进电机的所有控制全部集成在一片FPGA芯片上，实现步进电机数字硬件电路集成式控制。
具体实施方式三：下面结合图3具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是它还包括三个光电耦合器18，三个光电耦合器18分别设置在A相PWM信号生成器14、B相PWM信号生成器15和C相PWM信号生成器16的输出端与全桥PWM变换器1的控制端之间。本实施方式使控制电路(低压侧)和主电路(高压侧)电气隔离，解决了步进电机驱动器控制部分所受到的电磁干扰。输出是干扰源进入***的主要通道，控制***是弱电控制强电，控制对象运转时，常常产生很强的电磁干扰，如输出端口不加以隔离，干扰就会进入***控制部分，造成***异常，甚至不能使用。光电耦合器是实现电隔离的核心器件，为满足响应速度的要求，本发明选用了3片高速双路光电耦合器HCPL2631。
具体实施方式四：下面结合图3具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：它还包括两个霍尔电流传感器19、电压跟随及限幅保护电路20、A/D转换电路21、电平转换电路22和电流调节电路23，两个霍尔电流传感器19设置在全桥PWM变换器1输出三相电流的任意两相上以采集电流，两个霍尔电流传感器19的输出端分别连接电压跟随及限幅保护电路20的两个输入端，电压跟随及限幅保护电路20的输出端连接A/D转换电路21的输入端，A/D转换电路21的输出端连接电平转换电路22的输入端，电平转换电路22的输出端连接电流调节电路23的输入端，电流调节电路23的另外三个输入端分别连接细分波形发生器9的三个输出端，电流调节电路23的三个输出端分别连接A相PWM信号生成器14、B相PWM信号生成器15和C相PWM信号生成器16的输入端。
本实施方式采用霍尔电流传感器进行电流取样，第三相相电流是根据另外两相相电流数据利用基尔霍夫电流定律计算得到的。采用霍尔元件不仅可以得到完整而精确的电流采样信号，而且可以使主电路和控制电路进行电气隔离，从而提高驱动器的可靠性。采用的霍尔电流传感器为磁平衡式霍尔电流传感器CHB-25NP，它具有出色的精度，良好的线性度，低温漂和反应时间快等特点。A/D转换电路21选用美国AD公司的AD1674。
霍尔电流传感器19、电压跟随及限幅保护电路20、A/D转换电路21、电平转换电路22组成电流反馈电路，采集并计算出三相反馈电流，然后在电流调节电路23内与细分波形发生器8输出的三相给定电流进行相减，调节后得到PWM脉宽调制的调制波信号。反馈电路能够稳定电流和转速。
具体实施方式五：本实施方式与实施方式四的不同点是：电流调节电路23中采用PID调节方式或PI调节方式。

Claims (5)

1.高细分集成式步进电机驱动器，它包括全桥PWM变换器(1)，其特征在于它还包括加速信号输入器(2)、减速信号输入器(3)、转速寄存器(6)、CP脉冲生成器(7)、细分级数选定器(8)、细分波形发生器(9)、A相PWM信号生成器(14)、B相PWM信号生成器(15)和C相PWM信号生成器(16)，转速寄存器(6)的输入端连接加速信号输入器(2)和减速信号输入器(3)的输出端以实现通过加或减数码来选定电机的输出转速，转速寄存器(6)的一个输出端连接CP脉冲生成器(7)的输入端以通过转速选定CP脉冲频率并输出CP脉冲，转速寄存器(6)的另一个输出端连接细分级数选定器(8)以通过转速选定电机相电流正弦波形的细分等级，细分波形发生器(9)的两个输入端分别连接CP脉冲生成器(7)的输出端和细分级数选定器(8)的输出端以实现按照CP脉冲到来的频率，按细分等级依次读取细分波形发生器(9)内ROM所存的正弦表数据并将其输出作为每个相的参考相电流电流波形，细分波形发生器(9)的三个输出端分别连接A相PWM信号生成器(1)、B相PWM信号生成器(15)和C相PWM信号生成器(16)的输入端以生成各相PWM信号且使各相PWM信号相位相差120度，A相PWM信号生成器(14)、B相PWM信号生成器(15)和C相PWM信号生成器(16)的输出端分别连接全桥PWM变换器(1)的三个控制端以实现对其的PWM运行方式的控制，所述加速信号输入器(2)、减速信号输入器(3)、转速寄存器(6)、CP脉冲生成器(7)、细分级数选定器(8)和细分波形发生器(9)基于FPGA实现且电机相电流正弦波形的按时间顺序划分从16细分到4096细分之间阶梯分级。
2.根据权利要求1所述的高细分集成式步进电机驱动器，其特征在于它还包括转向信号输入器(4)、多路选择开关(10)和电流信号输入器(5)，电流信号输入器(5)的输出端连接细分波形发生器(9)的又一个输入端以实现对细分波形发生器(9)中电机相电流正弦波形幅值的调整，转向信号输入器(4)的输出端连接多路选择开关(10)的控制端，多路选择开关(10)设置在从细分波形发生器(9)到A相PWM信号生成器(10)、B相PWM信号生成器(11)和C相PWM信号生成器(12)之间三个输出通道上的任意两个输出通道上以实现通过改变相序完成电机旋转方向的改变。
3.根据权利要求1所述的高细分集成式步进电机驱动器，其特征在于它还包括三个光电耦合器(18)，三个光电耦合器(18)分别设置在A相PWM信号生成器(14)、B相PWM信号生成器(15)和C相PWM信号生成器(16)的输出端与全桥PWM变换器(1)的控制端之间。
4.根据权利要求1所述的高细分集成式步进电机驱动器，其特征在于它还包括两个霍尔电流传感器(19)、电压跟随及限幅保护电路(20)、A/D转换电路(21)、电平转换电路(22)和电流调节电路(23)，两个霍尔电流传感器(19)设置在全桥PWM变换器(1)输出三相电流的任意两相上以采集电流，两个霍尔电流传感器(19)的输出端分别连接电压跟随及限幅保护电路(20)的两个输入端，电压跟随及限幅保护电路(20)的输出端连接A/D转换电路(21)的输入端，A/D转换电路(21)的输出端连接电平转换电路(22)的输入端，电平转换电路(22)的输出端连接电流调节电路(23)的输入端，电流调节电路(23)的另外三个输入端分别连接细分波形发生器(9)的三个输出端，电流调节电路(23)的三个输出端分别连接A相PWM信号生成器(14)、B相PWM信号生成器(15)和C相PWM信号生成器(16)的输入端。
5.根据权利要求4所述的高细分集成式步进电机驱动器，其特征在于电流调节电路(23)中采用PID调节方式或PI调节方式。
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