專利名稱：步進電機控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種步進電機控制器，特別 是一種工業(yè)縫紉機上的混合式四相六線步涉及一種步進電機控制器。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，工業(yè)縫紉機廣泛地使用步進電機，特別是混
合式四相六線步進電機，作為X、 Y方向的動力源。在步進電機驅(qū) 動控制中， 一般是采用單片機配合專用的步進電機驅(qū)動控制器來 實現(xiàn)，這存在成本較高、各個環(huán)節(jié)搭配不便等問題。因而一般的 工業(yè)縫紉機控制系統(tǒng)中，采用單片機外加驅(qū)動元件的方案，為了 提高工業(yè)縫紉機的運行精度，需要對步進電機進行細分，因此控 制步進電機需要嚴格的時序關(guān)系。但是工業(yè)縫紉機控制系統(tǒng)本身 是一個高速復(fù)雜的系統(tǒng)，需要處理大量的其它任務(wù)，因此如把步 進電機控制集成到單片機中進行處理，不僅增加了單片機的運算 負擔(dān)，占用了大量單片機資源，而且經(jīng)常造成步進電機運行失控。 CPLD為 Complex Programmable Logic Device的簡稱，
為復(fù)雜可編程邏輯器件，屬于大規(guī)模集成電路范圍，是一種用 戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。CPLD 器件具有速度快、功耗低、保密性好、程序設(shè)計靈活、抗干擾能 力強、與外圍電路接口方便等特點。CPLD把接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 步進電機實際的控制信號(運轉(zhuǎn)方向、運轉(zhuǎn)速度等)輸出給電機的 驅(qū)動電路。這樣的好處是外部單片機與CPLD各行其是。外部單片 機可以專注于其它復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，不必占用過多的CPU資源去 直接控制電機，也減小了由此引入干擾的可能性；CPLD只需把外部單片機傳送過來的信息轉(zhuǎn)換成電機的控制信號。這樣就發(fā)揮了單片機和CPLD兩者的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的技術(shù)所存在的上述問題，而提供一種能夠克服現(xiàn)有縫紉機系統(tǒng)中步進電機運行時的丟步、失控等現(xiàn)象步進電機控制器。
本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實現(xiàn) 一種步進電機控制器，包括一控制器以及與其相連接的步進電機的驅(qū)動電路，其
特征在于，所述的控制器包括CPLD，所述的CPLD內(nèi)部分別設(shè)置
有用于對相應(yīng)于正反轉(zhuǎn)向的輸入脈沖進行計數(shù)的計數(shù)器、用于提
供細分的時間常數(shù)的定時器、用于實現(xiàn)CPLD的I/O 口的模擬量輸出的MC以及用于避免驅(qū)動電路中上下橋的同時開啟而造成電路短路死區(qū)控制器，所述的CPLD信號輸入端與外部單片機相連接，輸出端與驅(qū)動電路相連接。
在上述的步進電機控制器中，所述的驅(qū)動電路為恒流斬波驅(qū)動電路，所述恒流斬波驅(qū)動電路包括斬波脈寬調(diào)制器，及多個獨立電路，所述斬波脈寬調(diào)制器形成斬波控制，所述多個獨立電路的功放電路最終接入步進電機每相繞組中。
在上述的步進電機控制器中，所述的斬波脈寬調(diào)制器由電流檢測和控制電路所組成，包括由運算放大器構(gòu)成的施密特電路作電壓比較器及脈寬調(diào)制電路，所述電壓比較器在脈寬調(diào)制芯片UPC494內(nèi)部，分別輸入表示繞組電流的取樣電壓和表示設(shè)定電流值的預(yù)設(shè)電壓，所述電流值的預(yù)設(shè)電壓可由CPLD進行設(shè)定，可實現(xiàn)步進電機的零電流、半電流、全電流設(shè)定，同時能夠使步進電機處在不同的工作狀態(tài)，所述脈寬調(diào)制電路在脈寬調(diào)制芯片UPC494內(nèi)部，形成高頻的P麗波形。
在上述的步進電機控制器中，所述的CPLD的輸入端連接有從外部單片機的輸入信號A、 B、 C、 D作為四位一個字節(jié)的并行數(shù)據(jù)
總線以及EN、 ACK作為通信控制信號輸入端，所述的CPLD根據(jù)輸入數(shù)據(jù)信號輸出相應(yīng)的工作狀態(tài)。
這里外部單片機發(fā)送3個字節(jié)的數(shù)據(jù)(前兩個字節(jié)數(shù)據(jù)包括速度、方向控制、控制使能、半流\全流信息，和校驗字節(jié))，當(dāng)CPLD檢測到EN從高到低的跳變表示傳進數(shù)據(jù)開始，每個字節(jié)的有效數(shù)據(jù)出現(xiàn)在CPLD時鐘的上升沿，ACK為CPLD的應(yīng)答信號，當(dāng)CPLD接收完數(shù)據(jù)后進行和校驗，如果不對則把ACK拉高，通知外部單片機重新開始送數(shù)據(jù)，當(dāng)CPLD接收到正確的數(shù)據(jù)后就把它轉(zhuǎn)換成步進電機的物理運動，直到接收到新的控制數(shù)據(jù)。
在上述的步進電機控制器中，所述的定時器先判斷是否到定時時間，若到定時時間，則從預(yù)先設(shè)定的脈沖環(huán)形分配表和八細分函數(shù)表中讀取數(shù)據(jù)，再根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)，輸出相應(yīng)的工作狀態(tài)。
在上述的步進電機控制器中，所述的步進電機是四相混合式步進電機，引出線為四相六線。
在上述的步進電機控制器中，所述的恒流斬波驅(qū)動電路中二極管D5、 D6，穩(wěn)壓二級管D7、 D8、 D9，三極管Q9、 QIO，組成續(xù)
流電路。
在上述的步進電機控制器中，所述的恒流斬波驅(qū)動電路中U3的15腳接電阻R4，其16腳接電阻R3，電阻R3、 R4并聯(lián)接到三
極管Ql。
在上述的步進電機控制器中，所述的CPLD中的Ul的37腳接電阻R40和電阻R39，電阻R39接到電容C12和比較器U12A的正輸入端，比較器U12A的負輸入端和其輸出端相連。
在上述的步進電機控制器中，所述的CPLD中的Ul的39腳接反相器U13A的輸入端，反相器U13A的輸出端接電阻R42和三極管Q8。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本步進電機控制器的優(yōu)點在于輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)控制器處理后，對混合式四相六線步進電機，形成八細分恒流斬波控制，使步進電機的轉(zhuǎn)動平滑，驅(qū)動力矩大，保證步進電機不丟步、不失控，降低步進電機在待機狀態(tài)的能耗，同時克服現(xiàn)有縫紉機系統(tǒng)中步進電機運行時的丟步，失控等現(xiàn)象，由于本發(fā)明實行模塊化設(shè)計，直接降低了縫紉機整個系統(tǒng)設(shè)計的難度。


圖1是本步進電機控制器的電路原理圖。
圖2是本步進電機控制器中的主控流程圖。
圖3是本步進電機控制器的中斷、服務(wù)流程圖。
具體實施例方式
以下是本發(fā)明的具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實施例。
如圖1所示，本步進電機控制器包括CPLD控制器以及與其相連接的步進電機的驅(qū)動電路，在CPLD內(nèi)部分別設(shè)置有用于對相應(yīng)于正反轉(zhuǎn)向的輸入脈沖進行計數(shù)的計數(shù)器、用于提供細分的時間常數(shù)的定時器、用于實現(xiàn)CPLD的I/O 口的模擬量輸出的delta-sigma DAC以及用于避免驅(qū)動電路中上下橋的同時開啟而造成電路短路死區(qū)控制器，所述的CPLD信號輸入端與外部單片機相連接，輸出端與驅(qū)動電路相連接，CPLD的輸入端從外部單片機的輸入信號A、B、C、D作為四位一個字節(jié)的并行數(shù)據(jù)總線以及EN、ACK作為通信控制信號，所述的CPLD根據(jù)輸入數(shù)據(jù)信號輸出相應(yīng)的工作狀態(tài)。
這里驅(qū)動電路為恒流斬波驅(qū)動電路，恒流斬波驅(qū)動電路包括斬波脈寬調(diào)制器，及多個獨立電路，所述斬波脈寬調(diào)制器形成斬波控制，斬波脈寬調(diào)制器由電流檢測和控制電路所組成，包括由運算放大器構(gòu)成的施密特電路作電壓比較器、及脈寬調(diào)制電路，所述電壓比較器在脈寬調(diào)制芯片UPC494內(nèi)部，分別輸入表示繞組
電流的取樣電壓和表示設(shè)定電流值的預(yù)設(shè)電壓，所述電流值的預(yù)
設(shè)電壓可由CPLD進行設(shè)定，可實現(xiàn)步進電機的零電流、半電流、全電流設(shè)定，同時能夠使步進電機處在不同的工作狀態(tài)，所述脈寬調(diào)制電路在脈寬調(diào)制芯片UPC494內(nèi)部，形成高頻的PWM波形，另外多個獨立電路的功放電路最終接入步進電機每相繞組中。
另外定時器先判斷是否到定時時間，若到定時時間，則從預(yù)先設(shè)定的脈沖環(huán)形分配表和八細分函數(shù)表中讀取數(shù)據(jù)，再根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)，輸出相應(yīng)的工作狀態(tài)，在本實施例中步進電機是四相混合式步進電機，且引出線為四相六線。
在關(guān)鍵的具體電路中其中恒流斬波驅(qū)動電路包括功放電路、控制電路的電流檢測和控制電路，功放電路由上橋M0S管Q4、步進電機繞組LA、下橋M0S管Ql和電流取樣電阻R7組成，其中D5、D6、 D7、 D8、 D9、 Q9以及QIO，組成續(xù)流電路，恒流斬波驅(qū)動電路中U3的15腳接R4，其16腳接R3， R3、 R4并聯(lián)接到Ql，所述的CPLD中的Ul的37腳接電阻R40和R39， R39接到C12和U12A的第3腳，U12A的第1腳、第2腳相連，所述的Ul的39腳接U13A的第1腳，U13A的第2腳接電阻R42和Q8。
具體的工作過程如下-
U8A、 U9A、 Q7及外圍分立元件組成的電路可控制步進電機處在零電流、半電流、全電流狀態(tài)。當(dāng)U8A同相輸入端電壓設(shè)定為0時，使得U5的2腳反向輸入端電壓為0，這樣U5的8、 11腳輸出高電平，U7第7腳輸出低電平，關(guān)閉Q4管。當(dāng)U8A同相輸入電壓設(shè)定為U (0 5V)，如U9A的第1腳輸入為高電平，Q7關(guān)閉，此時U5的2腳反向輸入端電壓為W，此時可控制步進電機處在全流狀態(tài)；如U9A的第1腳輸入為低電平，Q7開啟，此時U5的2腳反向輸入端電壓為W/2，此時可控制步進電機處在半流狀態(tài)。下面說明步進電機的運轉(zhuǎn)機理U2A、 U2B、 U2C、 U2D、 U3、 U4、 Ql、 Q2、 Q3、 Q5及外圍分立元件組成的電路用于驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，步進電機的A、 B、 C、 D四相采用雙四拍控帝'J ,正轉(zhuǎn)日寸的通電順序是AC-—BC—-BD---AD-—AC ，反轉(zhuǎn)時的通電順序是AC-—AD---BD-—BC-—AC 。
現(xiàn)在闡述C P L D控制器的工作過程
外部單片機的輸入信號A、 B、 C、 D作為四位的并行數(shù)據(jù)總線，即作為一個字節(jié)輸入CPLD， EN、 ACK作為通信控制信號，CPLD根據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸出相應(yīng)的工作狀態(tài)，外部單片機發(fā)送3個字節(jié)的數(shù)據(jù)(前兩個字節(jié)數(shù)據(jù)包括速度、方向控制、控制使能、半流\全流信息，和校驗字節(jié))，當(dāng)CPLD檢測到EN從高到低的跳變表示傳進數(shù)據(jù)開始，每個字節(jié)的有效數(shù)據(jù)出現(xiàn)在CPLD時鐘的上升沿，ACK為CPLD的應(yīng)答信號，當(dāng)CPLD接收完數(shù)據(jù)后進行和校驗，如果不對則把ACK拉高，通知外部單片機重新開始送數(shù)。CPLD接收到正確的數(shù)據(jù)后就把它轉(zhuǎn)換成步進電機的物理運動，直到接收到新的控制信息。
CPLD的工作流程見圖2和圖3。
如圖2表示CPLD的主工作流程，圖3表示其定時模塊工作流程，在圖2中，在CPLD中可實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的并行執(zhí)行，因此如接收到的數(shù)據(jù)同時有4種類型，則4種數(shù)據(jù)類型可同時執(zhí)行。首先上電初始化，然后再判斷是否接收到正確的新數(shù)據(jù)，若有新數(shù)據(jù)則判斷新數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型，如果數(shù)據(jù)為真，則輸出使能信號，使步進電機上電，如果數(shù)據(jù)為假，則輸出禁止信號，使步進電機掉電。另外當(dāng)判斷是否接收到速度新數(shù)據(jù)，如果計數(shù)方向標(biāo)志等于1，則計數(shù)值向上計數(shù)，并將計數(shù)值輸入定時模塊，如果計數(shù)方向標(biāo)志不等于l，計數(shù)值像下計數(shù)，同時也將計數(shù)值輸入定時模塊；另外判斷是否有新的方向數(shù)據(jù)，有則方向為正，為正后計數(shù)方向標(biāo)志等于l，否則計數(shù)方向標(biāo)志等于0，當(dāng)判斷是否有新的半流/全流數(shù)據(jù)，如果半流/全流數(shù)據(jù)為真，則輸出全流信號，使步進電機處于全流狀態(tài)，如果為否，則輸出半流信號，使步進電機處于半流狀態(tài)。
如圖3所示，先判斷是否到定時時間，若沒到定時時間繼續(xù)等待，若到定時時間，則根據(jù)預(yù)先設(shè)定的輸入?yún)?shù)的雙四拍脈沖環(huán)形分配表和八細分函數(shù)表中讀取數(shù)據(jù)，再把讀取的數(shù)據(jù)值輸入到
delta-sigma DAC，再進入死區(qū)控制，輸出相應(yīng)的工作狀態(tài)值。
這樣經(jīng)過以上的處理后，輸出的數(shù)據(jù)可實現(xiàn)步進電機運行的八細分運轉(zhuǎn)，達到縫紉機的精度要求。
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
權(quán)利要求
1.一種步進電機控制器，包括一控制器以及與其相連接的步進電機的驅(qū)動電路，其特征在于，所述的控制器包括CPLD，所述的CPLD內(nèi)部分別設(shè)置有用于對相應(yīng)于正反轉(zhuǎn)向的輸入脈沖進行計數(shù)的計數(shù)器、用于提供細分的時間常數(shù)的定時器、用于實現(xiàn)CPLD的I/O口的模擬量輸出的DAC以及用于避免驅(qū)動電路中上下橋的同時開啟而造成電路短路死區(qū)控制器，所述的CPLD信號輸入端與外部單片機相連接，輸出端與驅(qū)動電路相連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進電機控制器，其特征在于，所 述的驅(qū)動電路為恒流斬波驅(qū)動電路，所述恒流斬波驅(qū)動電路包括 斬波脈寬調(diào)制器，及多個獨立電路，所述斬波脈寬調(diào)制器形成斬 波控制，所述多個獨立電路的功放電路最終接入步進電機每相繞組中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的步進電機控制器，其特征在于，所 述的斬波脈寬調(diào)制器由電流檢測和控制電路所組成，包括由運算 放大器構(gòu)成的施密特電路作電壓比較器及脈寬調(diào)制電路，所述電 壓比較器在脈寬調(diào)制芯片UPC494內(nèi)部，分別輸入表示繞組電流的 取樣電壓和表示設(shè)定電流值的預(yù)設(shè)電壓，所述電流值的預(yù)設(shè)電壓 可由CPLD進行設(shè)定，可實現(xiàn)步進電機的零電流、半電流、全電流 設(shè)定，同時能夠使步進電機處在不同的工作狀態(tài)，所述脈寬調(diào)制 電路在脈寬調(diào)制芯片UPC494內(nèi)部，形成高頻的P麗波形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進電機控制器，其特征在于，所 述的CPLD的輸入端連接有從外部單片機的輸入信號A、 B、 C、 D 作為四位一個字節(jié)的并行數(shù)據(jù)總線以及EN、 ACK作為通信控制信 號輸入端，所述的CPLD根據(jù)輸入數(shù)據(jù)信號輸出相應(yīng)的工作狀態(tài)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進電機控制器，其特征在于，所 述的定時器先判斷是否到定時時間，若到定時時間，則從預(yù)先設(shè) 定的脈沖環(huán)形分配表和八細分函數(shù)表中讀取數(shù)據(jù)，再根據(jù)讀取的 數(shù)據(jù)，輸出相應(yīng)的工作狀態(tài)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進電機控制器，其特征在于，所 述的步進電機是四相混合式步進電機，引出線為四相六線。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的步進電機控制器，其特征在于，所述的恒流斬波驅(qū)動電路中二極管D5、 D6，穩(wěn)壓二級管D7、 D8、 D9， 三極管Q9、 QIO，組成續(xù)流電路。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的步進電機控制器，其特征在于，所 述的恒流斬波驅(qū)動電路中U3的15腳接電阻R4，其16腳接電阻 R3，電阻R3、 R4并聯(lián)接到三極管Q1。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的步進電機控制器，其特征在于， 所述的CPLD中的Ul的37腳接電阻R40和電阻R39，電阻R39接 到電容C12和比較器U12A的正輸入端，比較器U12A的負輸入端和其輸出端相連。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的步進電機控制器，其特征在于， 所述的CPLD中的Ul的39腳接反相器U13A的輸入端，反相器U13A 的輸出端接電阻R42和三極管Q8。
全文摘要
本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種工業(yè)縫紉機上的混合式四相六線步涉及一種步進電機控制器。它解決了現(xiàn)有的步進電機控制器控制步進電機運行時步進電機丟步、失控等問題。本步進電機控制器，包括一控制器以及與其相連接的步進電機的驅(qū)動電路，控制器包括CPLD，所述的CPLD內(nèi)部分別設(shè)置有用于對相應(yīng)于正反轉(zhuǎn)向的輸入脈沖進行計數(shù)的計數(shù)器、用于提供細分的時間常數(shù)的定時器、用于實現(xiàn)CPLD的I/O口的模擬量輸出的DAC以及用于避免驅(qū)動電路中上下橋的同時開啟而造成電路短路死區(qū)控制器，所述的CPLD信號輸入端與外部單片機相連接，輸出端與驅(qū)動電路相連接。本步進電機控制器具有能使步進電機運行時不丟步、不失控等優(yōu)點。
文檔編號H02P8/06GK101594111SQ200910144060
公開日2009年12月2日 申請日期2009年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月7日
發(fā)明者朱良華, 李建新, 振 趙 申請人:浙江新飛躍股份有限公司