CN110995082B - 步进电机的闭环控制*** - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种步进电机的闭环控制***、微处理器和集成驱动电路。该***包括：微处理器、集成驱动电路；其中，微处理器耦接集成驱动电路，集成驱动电路耦接步进电机，步进电机和编码器相对设置，编码器耦接微处理器；编码器，用于检测步进电机进而得到其运转信号，并向微处理器发送运转信号；微处理器，用于接收运转信号，并处理运转信号得到控制信号，并向集成驱动电路发送控制信号；集成驱动电路，用于接收控制信号和来自步进电机的电流反馈信号，处理控制信号和电流反馈信号得到驱动电流，以驱动步进电机。通过上述实施方式，本申请能够实现闭环控制，降低微处理器的负荷处理量。

Description

步进电机的闭环控制***

技术领域

本申请涉及电机闭环控制领域，特别涉及步进电机的闭环控制***。

背景技术

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制***中的主要执行元件，应用极为广泛。相比于伺服电机的闭环控制***，传统步进电机的开环控制***在控制电机的速度和精度上有所欠缺。

然而伺服电机又比较昂贵，这增加了装置的成本，并且伺服电机因为过冲的缺点，在一些需要相对静止的场合导致的结果是致命的。所以，为了兼顾步进电机价格低廉和一些特殊应用场合，近几年来，填补伺服电机和开环步进电机之间应用空白，闭环步进电机应运而生。但是步进电机的闭环细分控制***中，闭环细分控制的精度需求高，微处理器需要处理和计算的数据量多，进而导致微处理器的负荷大。

发明内容

本申请主要解决的技术问题是提供一种步进电机的闭环控制***、微处理器、集成驱动电路，能够降低微处理器的运算量，减轻微处理器的负荷。

为解决上述技术问题，本申请第一方面提供了一种步进电机的闭环控制***，该***包括：微处理器、集成驱动电路；其中，微处理器耦接集成驱动电路，集成驱动电路耦接步进电机，步进电机和编码器相对设置，编码器耦接微处理器；编码器，用于检测步进电机进而得到其运转信号，并向微处理器发送运转信号；微处理器，用于接收运转信号，并处理运转信号得到控制信号，并向集成驱动电路发送控制信号；集成驱动电路，用于接收控制信号和来自步进电机的电流反馈信号，处理控制信号和电流反馈信号得到驱动电流，以驱动步进电机。

为解决上述技术问题，本申请第二方面提供了一种用于闭环控制***的微处理器，该微处理器包括：第一输入端，用于耦接编码器，以获得步进电机的运转信号；处理核心，耦接第一输入端，用于处理运转信号，得到控制信号；第一输出端，耦接处理核心，用于向集成驱动电路输出控制信号。

为解决上述技术问题，本申请第三方面提供了一种用于闭环控制***的集成驱动电路，该集成驱动电路包括：第二输入端，用于耦接微处理器，以获取来自微处理器的控制信号，控制信号是利用所述微处理器处理运转信号得到，由差量脉冲信号、差量方向信号及电流预设值构成；第二输入端，还用于耦接步进电机，以接收来自步进电机的电流反馈信号；驱动控制核心，耦接第二输入端和步进电机，用于处理控制信号和电流反馈信号得到驱动电流，以驱动步进电机。

区别于现有技术的情况，本申请的有益效果是：通过增加集成驱动电路，步进电机的微处理器只对来自步进电机的运转信号进行处理得到控制信号，集成驱动电路对控制信号和来自步进电机的电流反馈信号进行处理得到驱动电流以驱动步进电机，从而降低了微处理器的运算量，进而减轻了微处理器的负荷。

附图说明

图1为本申请步进电机的闭环控制***的第一实施例结构示意图；

图2为本申请步进电机的闭环控制***的第二实施例结构示意图；

图3为本申请用于闭环控制***的微处理器的第三实施例结构示意图；

图4为本申请用于闭环控制***的集成驱动电路的第四实施例结构示意图。

其中图1-4中，100-微处理器，101-第一输入端，102-处理核心，103-第一输出端，200-集成驱动器，201-接收端，202-逻辑运算器，203-脉冲发生器，204-分配器，205-功率放大器，206-电流采样处理模块，207-电流采样执行器件，211-第二输入端，212-驱动控制核心，300-步进电机，400-编码器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参阅图1和图2，图1是本申请步进电机300的闭环控制***的第一实施例结构示意图，图2是本申请步进电机300的闭环控制***的第二实施例结构示意图。所谓闭环控制，即为将被控制的结果反馈回来，与预期值相比较判断是否存在误差，并根据它们的误差调整当前控制的***。如图1和图2所示，本实施例提供的闭环控制***可以包括：微处理器100、集成驱动电路200。

需要说明的是，微处理器100可以是单片微型计算机(micro controller unit，MCU)，也可以是数字信号处理器(digital signal processing，DSP)，还可以是可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)，具体在此处不做限定。

其中，微处理器100可以耦接集成驱动电路200，集成驱动电路200可以耦接步进电机300，步进电机300可以和编码器400相对设置，编码器400可以耦接微处理器100。

需要说明的是，步进电机300可以是两相电机，也可以是三相电机，其电机的定子绕组可根据实际情况来选择，具体在此处不做限定。

编码器400，可以用于检测步进电机300进而得到其运转信号，并可以向微处理器100发送运转信号。

通常，编码器400可以为环形编码器。编码器400可以是光电编码器器，也可以是磁性编码器，具体在此处不做限定。

以光电编码器为例，步进电机300的轴承上可以装有光电编码器，光电编码器包括编码圆盘，圆盘上印刷有能够遮住光的黑色条纹，可以用于区分零点信号和主信号。圆盘两侧有一对光源与受光元件，中间可放置分度尺，用于测量转子的精确位置。当步进电机300转动时，会带动编码圆盘进行转动，这时遇到玻璃透明的地方光就会通过，遇到黑色条纹光就会被遮住。受光元件将光的有无转变为电信号形成脉冲得到运转信号。同时，表示转动量的条纹中还有表示转动方向的条纹，比如基准条纹和主信号条纹，根据这3种条纹所表示的信息，可以采集到步进电机300转子的当前位置信息、当前速度信息和当前方向信息。但，需要注意的是，采集到的运转信号没有被微处理器100解析之前，是无法知道其代表的具体信息的含义的，所以编码器400采集到的运转信号需要发送给微处理器100，以解析其代表的具体信息。

微处理器100，可以用于接收运转信号，并处理运转信号得到控制信号，并向集成驱动电路200发送控制信号。

需要说明的是，该控制信号不是通常所理解的脉宽调制(pulsewidthmodulation，PWM)信号，PWM可调节数字型脉冲信号的占空比或模拟型脉冲信号的宽度，从而实现数字型脉冲信号或模拟型脉冲信号的转换。

进一步地，为了处理接收的运转信号，微处理器100具体可以用于解析运转信号得到步进电机300的转子的当前位置信息、当前速度信息和当前方向信息，并可以将当前位置信息、当前速度信息、所述当前方向信息分别与预设位置信息、预设速度信息和预设方向信息进行比较，可以得到差量脉冲信号、差量方向信号。该差量脉冲信号、差量方向信号及电流预设值可以构成控制信号，区别于PWM信号。

为了能够对控制信号进行进一步的处理，微处理器100可以向集成电路发送处理得到的控制信号。而集成驱动电路200，不仅可以用于接收控制信号，还可以用来接收来自步进电机300的电流反馈信号。集成驱动电路200处理控制信号和电流反馈信号可以得到驱动电流，以驱动步进电机300。其中，电流反馈信号可以通过电流采样执行器件207采样驱动电流，电流采样处理模块206处理驱动电流而得到。从而达到对控制信号的处理，并通过电流反馈信号的电流环闭环控制，从而达到对步进电机300的闭环控制。

需要说明的是，电流采样执行器件207可以是采样电阻，为了能够控制集成驱动电路的体积，电流采样执行器件207可以集成在集成驱动电路中，也可以放在集成驱动电路外，根据实际情况进行选择，具体在此处不做限定。

具体地，集成驱动电路200可以包括接收端201，接收端201可以用于接收微处理器100发送的控制信号；逻辑运算器202，可以耦接接收端201，可以用于解析控制信号并运算处理控制信号得到驱动信号；功率放大器205，可以耦接逻辑运算器202，可以用于放大并转化驱动信号，得到驱动电机的驱动电流；并且接收端201，还可以用于耦接步进电机300，得到电流反馈信号；逻辑运算器202，还用于将电流反馈信号与电流预设值进行比较，得到电流差量信号；根据电流差量信号控制驱动信号，以使得驱动电流逼近或等于电流预设值。

此处的接收端201只是一个示意性的端口，实际上可以设置多个端口，部分端口用来接收微处理器100发送的控制信号，其他端口可以用来耦接步进电机300，得到反馈电流信号。本申请其他地方对端口的描述也同理。

进一步地，逻辑运算器202可以耦接脉冲发生器203，用于将运算出来的结果发送给脉冲发生器203来产生驱动信号，即PWM信号。

在步进电机300的转动中，步进电机300的转动是靠不停地改变各相绕组的通电顺序实现的，并且必须按规律控制步进电机300的每一相绕组得电才能是步进电机300正常运行，若想某相绕组通电，就要给该某相绕组提供一组序列脉冲，因此，步进电机300有几相就需要为其提供几个脉冲序列。然而脉冲发生器203产生的PWM信号给出的是一个单序列脉冲，因此需要分配器204，脉冲发生器203可以耦接分配器204，可以用于将单序列的脉冲序列转换位步进电机300需要的多序列脉冲，分配器204可以为环形分配器。

但光有分配器204得到的这些多序列的脉冲还不足以驱动步进电机300，因为PWM信号是一个弱电信号驱动步进电机300需要的是强电，所以多序列脉冲无法真正满足步进电机300的需要，所以需要功率放大器205，分配器204可以耦接功率放大器205，可以用于将PWM信号放大并转化成驱动电流，以驱动步进电机300。

为了能够快速对驱动信号的调控，功率放大器205可以耦接电流采样处理模块206，电流采样处理模块206可以采集放大并转化成驱动电流，得到电流反馈信号，电流采样处理模块206耦接接收端201，可以将采集得到的驱动电流输送到逻辑运算器202中，用于与电流预设值进行比较，电流反馈值减去电流预设值可以得到电流差量值，进而形成电流差量信号，根据电流差量信号对驱动信号进行调整和控制，从而形成下一次的驱动信号，驱动信号通过分配器204分配和功率放大器205的放大和转化可以得到下一次驱动电流以驱动步进电机300，进而完成对速度环或位置环的控制。

为了使得调整后的驱动电流可以不断逼近电流与设置，可以在电流采用模块206和步进电机300之间或者在功率放大器205和电流采用模块206之间设置比例-积分-微分(proportional–integral–derivative，PID)控制器，在可能导致闭环细分控制***有稳定误差或过程反复的情况下，PID反馈回路却可以保持闭环细分控制***的稳定，这样可以使闭环细分控制***更加准确。

为了明确控制调整的具体方式，逻辑运算器202可以根据电流差量信号控制驱动信号，以使得驱动电流逼近电流预设值具体为：判断电流差量信号是否小于0：若小于，则逻辑运算器202控制增大驱动电流，以逼近或等于电流预设值；若大于，则逻辑运算器202控制减小驱动电流，以逼近或等于电流预设值。通过对驱动信号的控制，从而达到对驱动电流的控制，根据电流差量信号的正负和差量值的把控，从而明确了控制调整的方式，进而完成对电流环的控制。

在闭环细分控制***中，需要说明的是，微处理器100耦接集成驱动电路200，包括：

微处理器可以直接连接集成驱动电路，直接连接包括串口或者并联口的板内连接，其中，微处理器发送差量脉冲信号、差量方向信号及电流预设值至集成驱动电路采用并联口的板内连接方式进行发送，如果微处理器将控制信号转换成双脉冲信号，也可以通过采用并联口的板内连接方式进行发送至集成驱动电路。或者微处理器可以间接连接集成驱动电路，其中，微处理器与集成驱动电路之间包括电平转换器件、缓冲放大器件、电阻、滤波器件和稳压器件，可以起到滤波稳压的作用。或者微处理器以通讯接口的方式连接集成驱动电路，其中通讯接口包括串行通信接口或者并行通信接口，比如总线形式(inter-integrated circuit，IIC)、串行外设接口(serial peripheral interface，SPI)、通用同步非同步接收传送器(universal synchronous asynchronous receiver transmitter，USART)等。对于耦接的方式可以有很多种，具体在此处不做限定。

本实施例中，步进电机300的闭环细分控制***包括微处理器100、集成驱动电路200。其中，微处理器200对编码器400采集到步进电机300的当前运转信号进行解析和处理得到控制信号发送给集成驱动电路200，集成驱动电流200对控制信号和对采集到的电流反馈信号进行解析处理调节控制得到PWM信号，以使得用于驱动步进电机300的驱动电流逼近或等于电流预设值，再通过分配功率放大形成驱动电流，从而达到对驱动步进电机300的闭环细分控制。通过上述方式，能够在满足闭环细分控制精度的基础上，原本由微处理器100完成的电流环的控制部分现由集成驱动电路200来完成，并且微处理器100对速度环和位置环的进行处理，其电流环调节均由集成驱动电路200来完成，从而降低了微处理器100的数据运算量，进而减少了微处理器100处理闭环细分控制的负荷量，使微处理器100能够有更多的内存去处理其他信号数据，利于后续的开发和控制，比如人机接口。

另外，在闭环细分控制***中，由于采用了集成工艺，集成驱动电路200搭建的电路有更小的体积，而且自带过流、过温等保护电路，极大简化地***电路，本方案还可以做到比同类产品具备更加小巧的体积。

参阅图3，图3是本申请用于闭环控制***的微处理器100的第三实施例结构示意图。本实施例提供的微处理器100可以包括：第一输入端101，可以用于耦接编码器400，以获得步进电机300的运转信号；处理核心102，可以耦接第一输入端101，用于处理运转信号，得到控制信号；第一输出端103，可以耦接处理核心102，用于向集成驱动电路200输出控制信号。

具体地，处理核心102可以用于解析运转信号，得到步进电机300的转子(图未示)的当前位置信息、当前速度信息和当前方向信息，将当前位置信息、当前速度信息和当前方向信息分别与预设位置信息、预设速度信息和预设方向信息比较，得到差量脉冲信号、差量方向信号，差量脉冲信号、差量方向信号及电流预设值构成控制信号。

本实施例中，微处理器100可以耦接编码器400获得步进电机300的运转信号，通过对运转信号解析得到步进电机300的转子的当前位置信息、当前速度信息和当前方向信息，并进行比较，得到差量脉冲信号、差量方向信号，并将差量脉冲信号、差量方向信号及电流预设值构成控制信号完成对位置环、速度环的解析和比较处理，并且不需要处理电流环以及之后对位置环、速度环的后续处理，从而降低了微处理器100的数据运算量，进而减少微处理器100的负荷量。

参阅图4，图4是本申请用于闭环控制***的集成驱动电路200的第四实施例结构示意图。如图4所示，本实施例提供的集成驱动电路200可以包括：第二输入端211和驱动控制核心212，第二输入端211可以用于耦接微处理器100，以获取来自微处理器100的控制信号，控制信号是利用微处理器100处理运转信号得到，由差量脉冲信号、差量方向信号及电流预设值构成；第二输入端211，还可以用于耦接步进电机300，以接收来自步进电机300的电流反馈信号；驱动控制核心212，可以耦接第二输入端211和步进电机300，用于处理控制信号和电流反馈信号得到驱动电流，以驱动步进电机300。从而进而完成对速度环、位置环和电流环的控制。

进一步地，驱动控制核心212进一步可以用于解析并运算处理控制信号得到驱动信号，放大驱动信号，得到驱动电流，以驱动步进电机300；第二输入端211，还用于接收步进电机300的电流反馈信号，得到反馈电流，以完成对速度环和位置环的控制。

再者，驱动控制核心212，还用于将反馈电流与电流预设值进行比较，得到电流差量信号，根据电流差量信号控制驱动信号，以使得驱动电流逼近或等于电流预设值。

为了明确控制调整的具体方式，具体地，驱动控制核心212具体用于判断电流差量信号是否小于0：若小于，则逻辑运算器202控制增大驱动电流，以逼近或等于电流预设值；若大于，则逻辑运算器202控制减小驱动电流，以逼近或等于电流预设值。通过对驱动信号的控制，从而达到对驱动电流的控制，根据电流差量信号的正负和差量值的把控，从而明确了控制调整的方式，进而完成对电流环的控制。

本实施例中，集成驱动电路200能够接收采集步进电机300的电流反馈信号和将微处理器100发送的控制信号转换成调整控制的驱动信号，以形成逼近或等于电流预设值的驱动电流来驱动步进电机300。通过上述方式，在能够满足闭环细分控制精度的基础上，集成驱动电路200共同处理控制信号和电流反馈信号得到驱动电流以驱动步进电机300，以完成对电流环的控制，从而降低了微处理器100的数据运算量，进而减少了微处理器100处理闭环细分控制的负荷量，以减小微处理器100的闭环运算的中央处理器(centralprocessing unit，CPU)占有率，因此微处理器100能够有更多的时间去处理其他信号数据，利于后续的开发和控制，比如人机接口。

另外，在闭环细分控制***中，由于采用了集成工艺，集成驱动电路200搭建的电路有更小的体积，而且自带过流、过温等保护电路，极大简化地***电路，本方案还可以做到比同类产品具备更加小巧的体积。

以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种步进电机的闭环控制***，其特征在于，包括：

微处理器、集成驱动电路；

其中，所述微处理器耦接所述集成驱动电路，所述集成驱动电路耦接步进电机，所述步进电机和编码器相对设置，所述编码器耦接所述微处理器；

所述编码器，用于检测所述步进电机进而得到其运转信号，并向所述微处理器发送所述运转信号；

所述微处理器，用于接收所述运转信号，并处理所述运转信号得到控制信号，并向所述集成驱动电路发送所述控制信号；

所述集成驱动电路，用于接收所述控制信号和来自所述步进电机的电流反馈信号，处理所述控制信号和所述电流反馈信号得到驱动电流，以驱动所述步进电机；

所述微处理器具体用于解析所述运转信号得到所述步进电机的转子的当前位置信息、当前速度信息和当前方向信息，将所述当前位置信息、所述当前速度信息、所述当前方向信息分别与预设位置信息、预设速度信息和预设方向信息比较，得到差量脉冲信号、差量方向信号，所述差量脉冲信号、所述差量方向信号及电流预设值构成所述控制信号；

所述集成驱动电路包括：接收端、逻辑运算器和功率放大器；

所述逻辑运算器耦接脉冲发生器，用于将运算出来的结果发送给脉冲发生器产生驱动信号，即PWM信号；

所述脉冲发生器耦接分配器，用于将单序列的脉冲序列转换为步进电机需要的多序列脉冲；

所述分配器耦接功率放大器，用于将PWM信号放大并转化为驱动信号，以驱动步进电机；

所述功率放大器耦接电流采样执行器件，用于采样驱动电流；

所述电流采样执行器件耦接电流采样处理模块，用于处理驱动电流得到电流反馈信号；

所述电流采样处理模块耦接接收端，所述接收端分别耦接逻辑运算器和所述微处理器，用于将所述电流反馈信号与所述电流预设值进行比较，得到电流差量信号；根据所述电流差量信号控制所述驱动信号，以使得所述驱动电流逼近或等于所述电流预设值。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述集成驱动电路包括：

接收端，用于接收所述微处理器发送的所述控制信号；

逻辑运算器，耦接所述接收端，用于解析所述控制信号并运算处理所述控制信号得到驱动信号；

功率放大器，耦接所述逻辑运算器，用于放大并转化所述驱动信号，得到驱动所述电机的所述驱动电流；

所述接收端，还用于耦接所述步进电机，得到电流反馈信号；

所述逻辑运算器，还用于将所述电流反馈信号与所述电流预设值进行比较，得到电流差量信号；根据所述电流差量信号控制所述驱动信号，以使得所述驱动电流逼近或等于所述电流预设值。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，

所述逻辑运算器根据所述电流差量信号控制所述驱动信号，以使得所述驱动电流逼近所述电流预设值具体为：判断所述电流差量信号是否小于0：

若小于，则所述逻辑运算器控制增大所述驱动电流，以逼近或等于所述电流预设值；

若大于，则所述逻辑运算器控制减小所述驱动电流，以逼近或等于所述电流预设值。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述微处理器耦接所述集成驱动电路，包括：

所述微处理器直接连接所述集成驱动电路，直接连接包括串口或者并联口的板内连接；

其中，所述微处理器发送所述差量脉冲信号、所述差量方向信号及电流预设值至所述集成驱动电路采用并联口的板内连接方式进行发送；

或，所述微处理器间接连接所述集成驱动电路；

其中，所述微处理器与所述集成驱动电路之间包括电平转换器件、缓冲放大器件、电阻、滤波器件和稳压器件，以起到滤波稳压的作用；

或，所述微处理器以通讯接口的方式连接所述集成驱动电路，所述通讯接口包括串行通信接口或者并行通信接口。

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