專利名稱：步進電機的一體化控制驅(qū)動器及控制驅(qū)動方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于機電控制技術(shù)領域，涉及一種步進電機的一體化控制驅(qū)動器及控制驅(qū)動方法。
背景技術(shù)：
步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的精密執(zhí)行元件。由于步進電機具有控制方便、體積小等特點，所以在數(shù)控系統(tǒng)、自動生產(chǎn)線、自動化儀表、繪圖機和計算機外圍設備中得到廣泛應用。近年來，隨著微電子學的迅速發(fā)展和微型計算機的普及與應用，傳統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成的龐大復雜的控制器得以用軟件實現(xiàn)，縮小了體積，降低了成本，同時也提高了控制的靈活性，可靠性及多功能性。傳統(tǒng)的分體式步進電機控制系統(tǒng)如圖I所示，由一臺用戶上位機、一塊4 8軸運動控制卡、I 8臺驅(qū)動器構(gòu)成,控制I 8臺電機。從圖I可知，該傳統(tǒng)的分體式步進電機控制系統(tǒng)體積龐大，接線復雜。對于一個由8個電機組成的系統(tǒng)，運動控制卡和所有驅(qū)動器之間用于控制信號的導線可達24根以上；此外，還需加上32根步進電機和驅(qū)動器之間的接線。所以，終端用戶要面臨高達56根的導線連接和后續(xù)維護。從控制層面看，所有八套電機的運動控制全由一塊運動控制卡完成，因此控制軟件的編制和維護是一項非常大的工程；同時該類型的運動控制卡價格昂貴，對用戶上位機的要求也頗高。鑒于傳統(tǒng)的分體式步進電機控制系統(tǒng)體積龐大、接線復雜等缺陷，國際上興起一種一體化步進電機控制驅(qū)動器的控制系統(tǒng)。這種一體化步進電機控制驅(qū)動器的概念體現(xiàn)了整個機電控制領域的總趨勢，即小型化，信息化和智能化。這種電機控制驅(qū)動器是基于嵌入式微處理器實現(xiàn)的，該控制系統(tǒng)具有體積小，成本低、使用靈活的特點，廣泛應用于數(shù)控機床、機器人、定量進給、工業(yè)自動控制以及各種可控的有定位要求的機械工具等領域。該電機控制驅(qū)動器的體積為現(xiàn)有產(chǎn)品的1/10以下，可以和電機連為一體。不僅如此，其重要的特征在于嵌入式微處理器能夠完成絕大部分運動控制功能。在此之前，這些運動控制功能在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中必須由用戶上位機完成，占用用戶上位機30% 60%以上的計算負荷。如圖2所示，國外一體化步進電機控制系統(tǒng)由一臺用戶上位機和I 50臺一體化帶控制驅(qū)動器的步進電機構(gòu)成。該國外一體化步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。步進電機和步進電機驅(qū)動控制器是有機地組合在一起的，電機和驅(qū)動器之間的連線由廠家完成，終端用戶一般只需用兩根導線就可以將所有電機并聯(lián)在一起(不包括電機電源線)，因此整個系統(tǒng)的導線數(shù)大大降低，一般整個系統(tǒng)的導線總數(shù)(包括電源線)在四根左右。同時，該驅(qū)動控制器內(nèi)部自帶運動控制功能，以及一些簡單的傳感器輸入輸出功能，從而在一定程度上免去了運動控制卡以及傳感器信號采集卡。這種控制系統(tǒng)，接線簡單，維護方便，同時對用戶上位機的軟硬件要求大大下降。此外，由于步進電機和驅(qū)動器有機地組合為一體，之間的匹配問題已由廠家完成，故而整體性能要比傳統(tǒng)的分體式步進電機控制系統(tǒng)高得多。但是目前的一體化控制驅(qū)動器仍存在控制結(jié)構(gòu)簡單實時性能不夠高，體積不夠小等問題。由于目前的一體化控制驅(qū)動器多采用查詢方式或者簡單的定時反饋方式，所以在對一些運動過程控制時，需要用戶的上位機(主控制機)不停地詢問和關(guān)注當前的運動參數(shù)，以期當電機到達一些關(guān)鍵控制點時能夠及時作出反應。這樣的做法導致大量上位機工作被浪費在無謂的反復查詢通訊上，同時也增加了通訊總線上的負荷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種步進電機的一體化控制驅(qū)動器，該控制驅(qū)動器能夠減輕用戶上位機的工作負荷；此外，本發(fā)明還提供上述步進電機的一體化控制驅(qū)動器的控制驅(qū)動方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。 一種步進電機的一體化控制驅(qū)動器，包括電源管理模塊、驅(qū)動和功放電路、嵌入式微處理系統(tǒng)、通訊驅(qū)動電路；所述電源管理模塊與嵌入式微處理系統(tǒng)相連，用以控制嵌入式微處理系統(tǒng)的供電；所述嵌入式微處理系統(tǒng)與驅(qū)動和功放電路相連，用以控制處理驅(qū)動和功放電路的工作；所述嵌入式微處理系統(tǒng)與通訊驅(qū)動電路相連，用以控制通訊驅(qū)動電路的工作狀態(tài)；所述嵌入式微處理系統(tǒng)包括通信協(xié)議處理模塊、指令反饋處理模塊、運動控制模塊、數(shù)字信號處理模塊、TTL電平輸出控制模塊、傳感器輸入控制模塊；所述通信協(xié)議處理模塊與指令反饋處理模塊相連；所述指令反饋處理模塊分別與運動控制模塊、數(shù)字信號處理模塊、TTL電平輸出控制模塊、傳感器輸入控制模塊相連；所述運動控制模塊、數(shù)字信號處理模塊、TTL電平輸出控制模塊和傳感器輸入控制模塊通過數(shù)據(jù)指令總線互相通信；所述嵌入式微處理系統(tǒng)中的運動控制模塊與驅(qū)動和功放電路相連，用以控制處理驅(qū)動和功放電路的工作；所述嵌入式微處理系統(tǒng)中的通信協(xié)議處理模塊與通訊驅(qū)動電路相連，用以控制通訊驅(qū)動電路的工作狀態(tài)。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述嵌入式微處理系統(tǒng)還包括與所述TTL電平輸出控制模塊相連的TTL控制輸出端口。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述嵌入式微處理系統(tǒng)還包括與所述傳感器輸入控制模塊相連的傳感器輸入端口。一種步進電機的一體化控制驅(qū)動器的控制驅(qū)動方法，所述控制驅(qū)動方法是基于事件的控制驅(qū)動方法，主要包括以下步驟設計步驟一，在所述的一體化控制驅(qū)動器記憶體中按具體情況定義2個相互關(guān)聯(lián)成對的變量表，一個稱為事件表，另一個稱為動作表，統(tǒng)稱為事件-動作表；設計步驟二,所述事件表的每個單元都對應所述動作表中的一個單元，所述事件表與動作表中的每個單元均為一個數(shù)值變量或者一個數(shù)組變量；設計步驟三，所述事件表中的任何一個單元的值如果在實際工作中被工作參數(shù)匹配，則相關(guān)聯(lián)的動作表中的相應單元的值所代表的控制參數(shù)或者動作將被立即執(zhí)行或者寫入未來執(zhí)行的動作序列表中；設計步驟四，通過設計通訊接口以便更改所述事件-動作表中的每個單元，進而定義關(guān)注事件；或者指令更改動作表中的每個單元以定義關(guān)注事件發(fā)生時控制驅(qū)動器應執(zhí)行的動作；設計步驟五，通過設計軟件或硬件接口使所有控制單元或者模塊在某個關(guān)注事件發(fā)生時能夠全部接到所述關(guān)注事件發(fā)生的通知； 運行步驟一，判斷是否有用戶指令要求設置事件-動作表，若有則設置事件-動作表，然后執(zhí)行運行步驟二 ；否則直接執(zhí)行運行步驟二 ；運行步驟二，根據(jù)期望參數(shù)的變化或/和各參數(shù)實際測量值的變化判定關(guān)注事件是否發(fā)生；運行步驟三，參照所述事件-動作表執(zhí)行相應動作。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述事件-動作表包括運動模式的事件-動作表、電平控制的事件-動作表、傳感器控制的事件-動作表。如果運動控制模塊、電平控制模塊和傳感器控制模塊共同使用一個記憶體即內(nèi)存，以上3種表對可以首尾相接地使用同一內(nèi)存區(qū)域。換言之，從形式上看，3種表對合并為一個連續(xù)的長表對。作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選方案，所述控制驅(qū)動方法包括基于事件的運動控制方法，所述基于事件的運動控制方法包括以下步驟Al、運動控制模塊從所述一體化控制驅(qū)動器記憶體中讀取當前運動參數(shù)，所述當前運動參數(shù)包括速度、方向、位移、力矩、電流；A2、運動控制模塊根據(jù)當前運動參數(shù)，與用戶定義的運動控制事件表比較，判斷是否有用戶關(guān)注事件發(fā)生；如果有，并且該關(guān)注事件與運動控制相關(guān)，則根據(jù)用戶定義的運動模式的事件-動作表定義今后的期望控制動作，并將所述期望控制動作寫入期望運動控制動作表；如果該關(guān)注事件與電平輸出相關(guān)，則根據(jù)用戶定義的電平控制的事件-動作表定義今后的期望輸出電平；如果該關(guān)注事件與變化通知相關(guān)，則發(fā)送該事件信息到用戶上位機；如果該事件并非用戶關(guān)注事件，則繼續(xù)步驟A3 ；例如事件表事件I :速度=O并且位移已經(jīng)大于10 ;對應動作I。(注釋在移動距離大于10后，如果停止了，比如到達了指定位置，或者根據(jù)傳感器輸入事件停止了，執(zhí)行動作I)事件2 :到達指定位置；對應動作2+3。(注運動控制事件表中事件都是與運動參數(shù)相關(guān)的)動作表動作I :反向；+速度=10 ;+位移=5 ;啟動。(注釋以一定速度倒退一小點,避免貼得太緊。)動作2 :速度=O ;(注釋停止)動作3 =TTL輸出高電平。(注釋點亮指示燈)(注運動控制動作表中的動作不一定都是與運動參數(shù)相關(guān)的，一個動作可以包括一條指令或者多條指令，如動作I)。在實際應用中，動作2和3也可以合并為一個動作。視具體程序邏輯框架，和編程者的習慣而定。A3、運動控制模塊從所述期望運動控制動作表讀取期望控制動作；A4、運動控制模塊根據(jù)期望控制動作換算出期望運動參數(shù)，所述期望運動參數(shù)包括速度、加速度、電流、力矩等；并進而計算出下一個執(zhí)行周期內(nèi)的硬件執(zhí)行參數(shù)，所述可執(zhí)行參數(shù)包括脈沖頻率、方向電平、脈沖計數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電壓；A5、運動控制模塊將所述硬件執(zhí)行參數(shù)輸出到底層電機驅(qū)動相應執(zhí)行硬件。
作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述控制驅(qū)動方法包括基于事件的傳感器控制方法，所述基于事件的傳感器控制方法包括以下步驟BI、傳感器控制模塊判斷是否有用戶指令改變傳感器端口配置，如果有則修改傳感器端口配置，然后讀取傳感器；否則直接讀取傳感器；
B2、傳感器控制模塊判斷是否有用戶查看傳感器讀數(shù)，如果有則發(fā)送傳感器讀數(shù)到用戶上位機，然后執(zhí)行步驟B3 ;否則直接執(zhí)行步驟B3 ；B 3、傳感器控制模塊判斷傳感器狀態(tài)/讀數(shù)是否有改變，如果有改變則與用戶定義的傳感器控制的事件-動作表比較，然后執(zhí)行步驟B4 ;否則返回執(zhí)行步驟BI ；B4、傳感器控制模塊判斷是否有用戶關(guān)注事件發(fā)生，如果有則判斷該關(guān)注事件與什么相關(guān)，否則返回執(zhí)行步驟BI ;如果該事件與運動控制相關(guān)，則根據(jù)用戶定義的傳感器控制的事件-動作表修改期望控制動作并寫入期望運動控制動作表；如果該事件與電平輸出相關(guān)，則根據(jù)用戶定義的傳感器控制的事件-動作表修改期望輸出電平；如果該事件與變化通知相關(guān)，則發(fā)送該事件信息到用戶上位機。作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選方案，所述控制驅(qū)動方法包括基于事件的TTL電平輸出控制方法，所述基于事件的TTL電平輸出控制方法包括以下步驟Cl、電平輸出控制模塊判斷用戶是否想直接控制電平輸出，如果是則執(zhí)行步驟C3 ；否則執(zhí)行步驟C2 ；C2、電平輸出控制模塊讀取期望輸出電平；C3、電平輸出控制模塊輸出到底層硬件，然后返回執(zhí)行步驟Cl。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明提出了“事件比對”這一設計思想和實現(xiàn)方法，減輕了用戶上位機的工作負荷，提高了單臺或者多臺步進電機的一體化控制驅(qū)動器和用戶上位機交互工作的實時性。


圖I為傳統(tǒng)的分體式步進電機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為國外一體化步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為國外一體化步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的內(nèi)部框圖；圖4為實施例一所述的步進電機的一體化控制驅(qū)動器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為實施例二所述的步進電機的一體化控制驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為基于事件的控制流程原理圖；圖7為基于事件的運動控制流程示意圖；圖8為基于事件的傳感器控制流程示意圖；圖9為基于事件的TTL電平輸出控制流程示意圖；圖10為傳統(tǒng)的查詢方式的主機工作負荷和實時性示意圖；圖11為本發(fā)明所述的驅(qū)動控制方法的主機工作負荷和實時性示意圖；圖12A為獨立運行的通信線程的示意圖；圖12B為獨立運行的運動控制線程的示意圖；圖12C為獨立運行的傳感器控制線程的示意圖；圖12D為獨立運行的電平輸出控制線程的示意圖12E為獨立運行的其他線程的示意圖；圖13為串行運行的子程序示意圖。主要組件符號說明I、步進電機的一體化控制驅(qū)動器；11、電源管理模塊；12、驅(qū)動和功放電路；13、嵌入式微處理系統(tǒng)；14、通訊驅(qū)動電路；131通信協(xié)議處理模塊；132、指令反饋處理模塊；133、運動控制模塊；134、數(shù)字信號處理模塊；135、TTL電平輸出控制模塊；
136、傳感器輸入控制模塊。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細說明。實施例一本實施例提供一種步進電機的一體化控制驅(qū)動器，如圖4所示，該步進電機的一體化控制驅(qū)動器I包括電源管理模塊11、驅(qū)動和功放電路12、嵌入式微處理系統(tǒng)13、通訊驅(qū)動電路14。所述電源管理模塊11與嵌入式微處理系統(tǒng)13相連，用以控制嵌入式微處理系統(tǒng)13的供電；所述嵌入式微處理系統(tǒng)13與驅(qū)動和功放電路12相連，用以控制處理驅(qū)動和功放電路12的工作；所述嵌入式微處理系統(tǒng)13與通訊驅(qū)動電路14相連，用以控制通訊驅(qū)動電路的工作狀態(tài)。所述嵌入式微處理系統(tǒng)13包括通信協(xié)議處理模塊131、指令反饋處理模塊132、運動控制模塊133、數(shù)字信號處理模塊134、TTL電平輸出控制模塊135、傳感器輸入控制模塊136。所述通信協(xié)議處理模塊131與指令反饋處理模塊132相連；所述指令反饋處理模塊132分別與運動控制模塊133、數(shù)字信號處理模塊134、TTL電平輸出控制模塊135、傳感器輸入控制模塊136相連；運動控制模塊133、數(shù)字信號處理模塊134、TTL電平輸出控制模塊135和傳感器輸入控制模塊136通過數(shù)據(jù)指令總線互相通信。所述嵌入式微處理系統(tǒng)13中的運動控制模塊133與驅(qū)動和功放電路12相連，用以控制處理驅(qū)動和功放電路12的工作；所述嵌入式微處理系統(tǒng)13中的通信協(xié)議處理模塊131與通訊驅(qū)動電路14相連，用以控制通訊驅(qū)動電路的工作狀態(tài)。實施例二本實施例提供一種步進電機的一體化控制驅(qū)動系統(tǒng)，如圖5所示，該系統(tǒng)包括一臺用戶上位機、和通過CAN總線與用戶上位機通信的若干臺帶一體化控制驅(qū)動器的步進電機。所述帶一體化控制驅(qū)動器的步進電機包括步進電機、電源、傳感器輸入端口、TTL控制輸出端口、步進電機控制驅(qū)動器。所述電源分別與步進電機控制驅(qū)動器中的驅(qū)動和功放電路、電源管理模塊相連，用以供電。所述步進電機與步進電機控制驅(qū)動器中的驅(qū)動和功放電路相連；所述用戶上位機與一體化控制驅(qū)動器中的通訊驅(qū)動電路相連；所述傳感器輸入端口與一體化控制驅(qū)動器中的傳感器輸入控制模塊相連，用以輸入傳感器信息；所述TTL控制輸出端口與一體化控制驅(qū)動器中的TTL電平輸出控制模塊相連，用以控制TTL電平的輸出。實施例三
本實施例提供一種實施例一所述的步進電機的一體化控制驅(qū)動器的控制驅(qū)動方法，其原理如圖6所示，該控制驅(qū)動方法包括基于事件的運動控制方法、基于事件的傳感器控制方法、基于事件的TTL電平輸出控制方法。基于事件的控制方法基于事件的控制方法是在所述的一體化控制驅(qū)動器記憶體中按具體情況定義多對相互關(guān)聯(lián)成對的變量表，一個稱為事件表，另一個稱為動作表。事件和相關(guān)動作表通常成對使用。其中某個事件表的每個單元(一個數(shù)值變量或者一個數(shù)組變量)都對應相應動作表中的一個單元(一個數(shù)值變量或者一個數(shù)組變量)。事件表中的任何一個單元的值如果在實際工作中被工作參數(shù)(期望值或者當前實際值)匹配，則相關(guān)聯(lián)的動作表中的相應單元的值所代表的控制參數(shù)或者動作將被立即執(zhí)行或者寫入未來執(zhí)行的動作序列表(例如期望運動控制動作表)中。同時設計通訊接口(包括硬件以及/或者軟件)以便能夠使用指令或其他方式更改每對事件-動作表中事件表的每個單元，進而定義關(guān)注事件，也可以指令更改動作表中的每個單元以定義關(guān)注事件發(fā)生時控制驅(qū)動器應執(zhí)行的動作；并且設計軟件以及/或者硬件接口以便所有控制單元或者模塊在某個關(guān)注事件發(fā)生時能夠全部接到該事件發(fā)生的通知。在運行的過程中，首先判斷是否有用戶指令要求設置相關(guān)事件-動作表，若有則設置事件-動作表，然后執(zhí)行步驟二 ；否則跳過步驟二直接執(zhí)行后面的步驟三。步驟二 根據(jù)期望參數(shù)的變化以及/或者各參數(shù)實際測量值的變化判定關(guān)注事件是否發(fā)生；步驟三，參照相關(guān)事件-動作表執(zhí)行相應動作。每個模塊(如運動控制模塊，傳感器控制模塊等)均有各自的事件-動作表對。不同的模塊產(chǎn)生的事件不同(如運動控制模塊產(chǎn)生的電機停止事件，運動到位事件；傳感器控制模塊產(chǎn)生的一號傳感器高電平事件，二號傳感器讀數(shù)超過允許極限等)，但是產(chǎn)生的動作可能相同(如電機緊急剎車)。基于事件的運動控制方法所述基于事件的運動控制方法的流程如圖7所示，包括以下步驟Al、運動控制模塊(固件，即硬件和軟件)從硬件或者內(nèi)存中讀取當前運動參數(shù)，如速度、方向、位移、力矩、電流等；A2、運動控制模塊根據(jù)當前運動參數(shù)，與用戶定義的運動控制事件表比較，判斷是否有用戶關(guān)注事件發(fā)生；如果有，并且該關(guān)注事件與運動控制相關(guān)，則根據(jù)用戶定義的運動模式的事件-動作表定義今后的期望控制動作并寫入期望運動控制動作表；如果該關(guān)注事件與電平輸出相關(guān)，則根據(jù)用戶定義的電平控制的事件-動作表定義今后的期望輸出電平；如果該關(guān)注事件與變化通知相關(guān)，則發(fā)送該事件信息到用戶上位機；如果該事件并非用戶關(guān)注事件，則繼續(xù)下一步。A3、運動控制模塊從期望運動控制動作表讀取期望控制動作；A4、運動控制模塊根據(jù)期望控制動作換算出期望運動參數(shù)包括速度、加速度、電流、力矩等；并進而計算出下一個執(zhí)行周期內(nèi)的脈沖頻率、方向電平、脈沖計數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電壓等硬件執(zhí)行參數(shù)；A5、運動控制模塊將所述硬件執(zhí)行參數(shù)輸出到底層電機驅(qū)動相應執(zhí)行硬件。
基于事件的傳感器控制方法在實施例一所述的步進電機的一體化控制驅(qū)動器中，傳感器輸入控制模塊能夠與運動控制模塊、數(shù)字信號處理模塊、TTL電平輸出控制模塊直接交流?，F(xiàn)有的步進電機控制驅(qū)動器通常是I)在用戶查詢時才提供檢測到的當前傳感器讀數(shù)，或者2)按照一定頻率(即按照用戶給定的時間間隔)提供檢測到的當前傳感器讀數(shù)。本發(fā)明采用的傳感器輸入控制模塊是一種基于事件的傳感器輸入控制結(jié)構(gòu)模塊。傳感器輸入控制模塊在檢測到任何一個傳感器讀數(shù)發(fā)生變化時，會與傳感器控制的事件表比對，并且在比對成功時產(chǎn)生一個該傳感器的變化事件；同時傳感器輸入控制模塊將對照傳感器控制的動作表(由用戶指令設定，保存于非易失性內(nèi)存，斷電不會丟失)調(diào)整運動方式和運動參數(shù)，并寫入期望運動控制動作表。運動控制模塊在讀取該期望運動控制動作表時該動作得以被執(zhí)行。本發(fā)明采用的傳感器輸入端口能夠被配置為接受數(shù)字量輸入或者接受模擬量輸入，其它現(xiàn)有技術(shù)不能配置。亦即，如果某個端口出廠時設定為模擬輸入則該端口永遠為模擬輸入，即使用戶由于布線等原因需要該端口為數(shù)字量輸入，也不可能)。實現(xiàn)時，用戶上位機通過指令，設置一個名為“主配置寄存器”的變量(保存于非易失性內(nèi)存)，以配合輸入方式(模擬輸入需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。設置完成后，系統(tǒng)將會根據(jù)設置自動調(diào)整端口電路。如果某端口配置成模擬量輸入，則控制器內(nèi)部的電子切換開關(guān)會自動將該端口的輸入連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器。反之，該端口的輸入通道將被內(nèi)部的電子切換開關(guān)導向數(shù)字輸入控制電路。傳感器輸入端口配置為接受模擬量輸入后，輸入的模擬量將被送到數(shù)字信號處理模塊進行濾波等處理，同時會將輸入的模擬量與傳感器控制的事件-動作表中的“模擬量閾值上下限單元”(該“模擬量閾值上下限單元”可由指令設定，保存于非易失性內(nèi)存)比對。比對的結(jié)果用于產(chǎn)生“模擬量輸入大于設定閾值上限”或者“模擬量輸入小于設定閾值下限”的傳感器事件。和其他傳感器事件一樣，這兩類事件可被用于控制運動。所述基于事件的傳感器控制方法的流程如圖8所示，包括以下步驟BI、傳感器控制模塊(固件)判斷是否有用戶指令改變傳感器端口配置，如果有則修改傳感器端口配置，然后讀取傳感器；否則直接讀取傳感器；B2、傳感器控制模塊判斷是否有用戶查看傳感器讀數(shù)，如果有則發(fā)送傳感器讀數(shù)到用戶上位機，然后執(zhí)行步驟B3 ;否則直接執(zhí)行步驟B3 ；B3、傳感器控制模塊判斷傳感器狀態(tài)/讀數(shù)是否有改變，如果有改變則與用戶定義的傳感器控制的事件-動作表比較，然后執(zhí)行步驟B4 ;否則返回執(zhí)行步驟BI ；B4、傳感器控制模塊判斷是否有用戶關(guān)注事件發(fā)生，如果有則判斷該事件與什么相關(guān)，否則返回執(zhí)行步驟BI ;如果該事件與運動控制相關(guān)，則根據(jù)用戶定義的傳感器控制的事件-動作表修改期望控制動作并寫入期望運動控制動作表；如果該事件與電平輸出相關(guān)，則根據(jù)用戶定義的傳感器控制的事件-動作表修改期望輸出電平；如果該事件與變化通知相關(guān)，則發(fā)送該事件信息到用戶上位機。基于事件的TTL電平輸出控制方法在實施例一所述的步進電機的一體化控制驅(qū)動器中，TTL電平輸出控制模塊能夠和運動控制模塊、數(shù)字信號處理模塊、傳感器輸入控制模塊直接交流。與上述傳感器輸入控制結(jié)構(gòu)類似，本發(fā)明采用的TTL電平輸出控制模塊是一種基于事件的TTL電平輸出控制結(jié)構(gòu)模塊。TTL電平輸出控制模塊會時刻檢測系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生并傳遞的各種事件，并將這些事件與輸出控制的事件-動作表中定義的事件比對。如果比對成功，則根據(jù)輸出控制的事件-動作表中所定義的電平產(chǎn)生輸出。本發(fā)明所述的TTL電平輸出控制方法與現(xiàn)有技術(shù)都可以根據(jù)用戶指令執(zhí)行輸出的電平，但是現(xiàn)有技術(shù)沒有本發(fā)明提出的“事件比對”這一設計思想和實現(xiàn)方法。 值得注意的是，不同模塊可能對某一事件或幾個事件做出相同的或者不同的反應動作。因此在實際應用，本發(fā)明提出的“事件比對”的設計思想和方法，還應根據(jù)實際應用定義相應的沖突解決機制。一個可選方案就是按各模塊自動設置動作的時間先后排序處理，后來的沖掉前面的設置，并且設定各事件的重要性。例如，發(fā)生機械越過限位事件時，必須執(zhí)行急停動作，而覆蓋所有其他運動動作。此外，用戶也可根據(jù)實際情況，在設置各事件-動作表時防止一個事件導致矛盾的動作產(chǎn)生。所述基于事件的TTL電平輸出控制方法的流程如圖9所示，包括以下步驟Cl、電平輸出控制模塊(固件)判斷用戶是否想直接控制電平輸出，如果是則執(zhí)行步驟C3 ;否則執(zhí)行步驟C2 ；C2、電平輸出控制模塊讀取期望輸出電平；C3、電平輸出控制模塊輸出到底層硬件，然后返回執(zhí)行步驟Cl。本實施例所述的步進電機的一體化控制驅(qū)動器的控制驅(qū)動方法的固件程序可以由若干獨立運行的線程組成，如圖12A至圖12E所示，也可以由串行運行的若干子程序組成，如圖13所示。本發(fā)明提出了“事件比對”這一設計思想和實現(xiàn)方法，減輕了用戶上位機的工作負荷，提高了單臺或者多臺步進電機控制驅(qū)動器和用戶上位機交互工作的實時性。本發(fā)明的所有控制模塊(如運動控制模塊、TTL電平輸出控制模塊、傳感器輸入控制模塊)都具備判斷“關(guān)注事件”發(fā)生的能力。根據(jù)用戶對事件-動作表的設置，這些關(guān)注事件能夠被直接反饋給用戶上位機，稱為“變化通知”。發(fā)送關(guān)注事件通知也是一種動作，被列在事件-動作表對的動作表中。當系統(tǒng)中某一參數(shù)發(fā)生變化，并被關(guān)注。當某一事件被判斷為關(guān)注事件后，該關(guān)注事件被送往指令和反饋處理模塊與《事件變化通知使能表》(由用戶指令設定，保存于非易失性內(nèi)存)進行對比，如果該事件變化的屬性“允許發(fā)送通知”，則該變化將被自動發(fā)送到用戶上位機；如果該事件變化的屬性“無需發(fā)送通知”，則該變化不會被發(fā)送到用戶上位機。本發(fā)明采用的“變化通知”機制極大的減輕了用戶上位機的負荷。舉一簡單例子班長要求戰(zhàn)士小王到達某高地，同時班長還要指揮本地作戰(zhàn)。如果沒有“變化通知”，班長為了保證小王到達后立即獲知，必須不停通過步話機詢問小王，以判定是否到位，極大地分散了注意力。如果采用“變化通知”，小王到達后會立即通知班長。而在此前，班長無需分心小王的事。班長就相當于用戶上位機，本地作戰(zhàn)相當于用戶上位機的其他任務，如用戶界面等，而小王就相當于本發(fā)明所述的步進電機的一體化驅(qū)動控制器。下面以一實例來量化說明。實施例四本實施例將實施例三所述的基于事件的驅(qū)動控制方法與傳統(tǒng)的查詢式控制方法進行對比，如圖10和11所示。對比場景在一激光聚焦系統(tǒng)中，有一步進電機帶動一個激光光學鏡頭作高速直線運動，工作過程中，激光鏡頭在碰到限位開關(guān)時必須在立即停止。I)采用傳統(tǒng)查詢式控制方式，每隔10毫秒，由用戶上位機主動查詢，驅(qū)動器作答，再由用戶上位機判斷是否停止電機，如果需要停止，則由用戶上位機發(fā)送停止指令，驅(qū)動器關(guān)停電機，然后向用戶上位機報告電機已停止。從電機到位應該停止到實際關(guān)停電機的時間差(視主機工作速度和通訊速率)一般大于10 50毫秒。該過程中，用戶上位機的工作負荷和時間關(guān)系如圖10所示，其中Tl表示用戶上位機發(fā)送指令查詢當前位置所用時間；T2表示等待驅(qū)動器有關(guān)當前位置的反饋所用時間；T3表示接收驅(qū)動器有關(guān)當前位置的反饋所用時間；T4表示判斷電機是否到位所用時間；T5表示用戶上位機發(fā)送電機停止指令所用時間；T6表示驅(qū)動器接收停止指令所用時間；!7表示用戶上位機接收驅(qū)動器發(fā)出的有關(guān)電機已經(jīng)停止的反饋所用時間。從圖10可以看出，從工件到位電機應該停止的時刻起到電機實際停止的時刻為止，共需要約10 50毫秒的延遲。對于高速精密儀器，10 50毫秒的誤差已足夠光學鏡頭擦傷撞碎。即使對于低速運動，如果用戶上位機要同時控制多臺 驅(qū)動器，僅查詢的時間和負荷也會使主機不堪負荷，導致癱瘓。當前工業(yè)中每臺設備控制有10 30臺電機的比比皆是。2)采用本發(fā)明所述的基于事件的傳感器控制方法，以及變化通知，那么僅在電機到位后，用戶上位機才需要處理驅(qū)動器發(fā)回來的電機停止通知反饋。在電機到位前，用戶上位機不需要做任何工作，并且從電機到位應該停止到實際關(guān)停電機的時間差小于0. 5毫秒，同時用戶上位機得到電機停止反饋的時間也小于0. 5毫秒。事實上，由于設置了事件變化通知和由事件驅(qū)動的電機停止動作，當驅(qū)動器監(jiān)測到電機到位的事件時，驅(qū)動器瞬間關(guān)閉電機，并且立刻發(fā)回電機停止的反饋信息。本發(fā)明提出的基于事件比對的設計思想和實現(xiàn)方法也適用于其他電機(如伺服電機)的控制系統(tǒng)。這里本發(fā)明的描述和應用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術(shù)人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術(shù)人員應該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式、結(jié)構(gòu)、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件來實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種步進電機的一體化控制驅(qū)動器，包括電源管理模塊(11)、驅(qū)動和功放電路(12)、嵌入式微處理系統(tǒng)(13)、通訊驅(qū)動電路(14);所述電源管理模塊(11)與嵌入式微處理系統(tǒng)(13)相連，用以控制嵌入式微處理系統(tǒng)(13)的供電；所述嵌入式微處理系統(tǒng)(13)與驅(qū)動和功放電路(12)相連，用以控制處理驅(qū)動和功放電路(12)的工作；所述嵌入式微處理系統(tǒng)(13)與通訊驅(qū)動電路(14)相連，用以控制通訊驅(qū)動電路的工作狀態(tài)；其特征在于所述嵌入式微處理系統(tǒng)(13)包括通信協(xié)議處理模塊(131)、指令反饋處理模塊(132)、運動控制模塊(133)、數(shù)字信號處理模塊(134)、TTL電平輸出控制模塊(135)、傳感器輸入控制模塊(136);所述通信協(xié)議處理模塊(131)與指令反饋處理模塊(132)相連；所述指令反饋處理模塊(132)分別與運動控制模塊(133)、數(shù)字信號處理模塊(134)、TTL電平輸出控制模塊(135)、傳感器輸入控制模塊(136)相連；所述運動控制模塊(133)、數(shù)字信號處理模塊(134),TTL電平輸出控制模塊(135)和傳感器輸入控制模塊(136)通過數(shù)據(jù)指令總線互相通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的步進電機的一體化控制驅(qū)動器，其特征在于所述嵌入式微處理系統(tǒng)(13)中的運動控制模塊(133)與驅(qū)動和功放電路(12)相連，用以控制處理驅(qū)動和功放電路(12)的工作；所述嵌入式微處理系統(tǒng)(13)中的通信協(xié)議處理模塊(131)與通訊驅(qū)動電路(14)相連，用以控制通訊驅(qū)動電路的工作狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的步進電機的一體化控制驅(qū)動器，其特征在于所述嵌入式微處理系統(tǒng)(13)還包括與所述TTL電平輸出控制模塊(135)相連的TTL控制輸出端口。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的步進電機的一體化控制驅(qū)動器，其特征在于所述嵌入式微處理系統(tǒng)(13)還包括與所述傳感器輸入控制模塊(136)相連的傳感器輸入端口。
5.一種步進電機的一體化控制驅(qū)動器的控制驅(qū)動方法，其特征在于，所述控制驅(qū)動方法是基于事件的控制驅(qū)動方法，主要包括以下步驟 設計步驟一，在所述的一體化控制驅(qū)動器記憶體中按具體情況定義2個相互關(guān)聯(lián)成對的變量表，一個稱為事件表，另一個稱為動作表，統(tǒng)稱為事件-動作表； 設計步驟二，所述事件表的每個單元都對應所述動作表中的一個單元，所述事件表與動作表中的每個單元均為一個數(shù)值變量或者一個數(shù)組變量； 設計步驟三，所述事件表中的任何一個單元的值如果在實際工作中被工作參數(shù)匹配，則相關(guān)聯(lián)的動作表中的相應單元的值所代表的控制參數(shù)或者動作將被立即執(zhí)行或者寫入未來執(zhí)行的動作序列表中； 設計步驟四，通過設計通訊接口以便更改所述事件-動作表中的每個單元，進而定義關(guān)注事件；或者指令更改動作表中的每個單元以定義關(guān)注事件發(fā)生時控制驅(qū)動器應執(zhí)行的動作； 設計步驟五，通過設計軟件或硬件接口使所有控制模塊在某個關(guān)注事件發(fā)生時能夠全部接到所述關(guān)注事件發(fā)生的通知； 運行步驟一，判斷是否有用戶指令要求設置事件-動作表，若有則設置事件-動作表，然后執(zhí)行運行步驟二 ；否則直接執(zhí)行運行步驟二 ； 運行步驟二，根據(jù)期望參數(shù)的變化或/和各參數(shù)實際測量值的變化判定關(guān)注事件是否發(fā)生； 運行步驟三，參照所述事件-動作表執(zhí)行相應動作。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的步進電機的一體化控制驅(qū)動器的控制驅(qū)動方法，其特征在于，所述事件-動作表包括運動控制的事件-動作表、電平控制的事件-動作表、傳感器控制的事件-動作表。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的步進電機的一體化控制驅(qū)動器的控制驅(qū)動方法，其特征在于，所述控制驅(qū)動方法包括基于事件的運動控制方法，所述基于事件的運動控制方法包括以下步驟 Al、運動控制模塊從控制驅(qū)動器記憶體中讀取當前運動參數(shù),所述當前運動參數(shù)包括速度、方向、位移、力矩、電流； A2、運動控制模塊根據(jù)當前運動參數(shù)，與用戶定義的運動控制事件表比較，判斷是否有用戶關(guān)注事件發(fā)生；如果有，并且該關(guān)注事件與運動控制相關(guān)，則根據(jù)用戶定義的運動模式的事件-動作表定義今后的期望控制動作，并將所述期望控制動作寫入期望運動控制動作表；如果該關(guān)注事件與電平輸出相關(guān)，則根據(jù)用戶定義的電平控制的事件-動作表定義今后的期望輸出電平；如果該關(guān)注事件與變化通知相關(guān)，則發(fā)送該事件信息到用戶上位機；如果該事件并非用戶關(guān)注事件，則繼續(xù)步驟A3 ； A3、運動控制模塊從所述期望運動控制動作表讀取期望控制動作； A4、運動控制模塊根據(jù)期望控制動作換算出期望運動參數(shù)，所述期望運動參數(shù)包括速度、加速度、電流、力矩；并進而計算出下一個執(zhí)行周期內(nèi)的硬件執(zhí)行參數(shù)，所述可執(zhí)行參數(shù)包括脈沖頻率、方向電平、脈沖計數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電壓； A5、運動控制模塊將所述硬件執(zhí)行參數(shù)輸出到底層電機驅(qū)動相應執(zhí)行硬件。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的步進電機的一體化控制驅(qū)動器的控制驅(qū)動方法，其特征在于，所述控制驅(qū)動方法包括基于事件的傳感器控制方法，所述基于事件的傳感器控制方法包括以下步驟 BI、傳感器控制模塊判斷是否有用戶指令改變傳感器端口配置，如果有則修改傳感器端口配置，然后讀取傳感器；否則直接讀取傳感器； B2、傳感器控制模塊判斷是否有用戶查看傳感器讀數(shù)，如果有則發(fā)送傳感器讀數(shù)到用戶上位機，然后執(zhí)行步驟B3 ;否則直接執(zhí)行步驟B3 ； B 3、傳感器控制模塊判斷傳感器狀態(tài)/讀數(shù)是否有改變，如果有改變則與用戶定義的傳感器控制的事件-動作表比較，然后執(zhí)行步驟B4 ;否則返回執(zhí)行步驟BI ； B4、傳感器控制模塊判斷是否有用戶關(guān)注事件發(fā)生，如果有則判斷該關(guān)注事件與什么相關(guān)，否則返回執(zhí)行步驟BI ;如果該事件與運動控制相關(guān)，則根據(jù)用戶定義的傳感器控制的事件-動作表修改期望控制動作并寫入期望運動控制動作表；如果該事件與電平輸出相關(guān)，則根據(jù)用戶定義的傳感器控制的事件-動作表修改期望輸出電平；如果該事件與變化通知相關(guān)，則發(fā)送該事件信息到用戶上位機。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的步進電機的一體化控制驅(qū)動器的控制驅(qū)動方法，其特征在于，所述控制驅(qū)動方法包括基于事件的TTL電平輸出控制方法，所述基于事件的TTL電平輸出控制方法包括以下步驟 Cl、電平輸出控制模塊判斷用戶是否想直接控制電平輸出，如果是則執(zhí)行步驟C3;否則執(zhí)行步驟C2 ； C2、電平輸出控制模塊讀取期望輸出電平；C3、電平輸出控制模塊輸出到底層硬件，然后 回執(zhí)行步驟Cl。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種步進電機的一體化控制驅(qū)動器及控制驅(qū)動方法，該控制驅(qū)動器包括一嵌入式微處理系統(tǒng)；嵌入式微處理系統(tǒng)包括通信協(xié)議處理模塊、指令反饋處理模塊、運動控制模塊、數(shù)字信號處理模塊、TTL電平輸出控制模塊、傳感器輸入控制模塊；通信協(xié)議處理模塊與指令反饋處理模塊相連；指令反饋處理模塊分別與運動控制模塊、數(shù)字信號處理模塊、TTL電平輸出控制模塊、傳感器輸入控制模塊相連；運動控制模塊、數(shù)字信號處理模塊、TTL電平輸出控制模塊和傳感器輸入控制模塊通過數(shù)據(jù)指令總線互相通信。本發(fā)明提出了“事件比對”這一設計思想和實現(xiàn)方法，減輕了用戶上位機的工作負荷，提高了單臺或多臺步進電機的一體化控制驅(qū)動器和上位機交互工作的實時性。
文檔編號H02P8/40GK102624308SQ20111003340
公開日2012年8月1日 申請日期2011年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月30日
發(fā)明者朱海鴻 申請人:上海優(yōu)愛寶機器人技術(shù)有限公司