專利名稱：微型多功能電機驅(qū)動控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電機驅(qū)動控制器，屬于機電產(chǎn)品。尤其是既能驅(qū)動兩相步進電機又能驅(qū)動直流電機的一種微型多功能電機驅(qū)動控制器。
背景技術：
在一些非復雜、小功率的運動控制場合，如精密光電跟蹤設備的調(diào)光調(diào)焦系統(tǒng)中，往往采用微型直流電機或者微型步進電機作為執(zhí)行器，系統(tǒng)一般不要求做復雜的運動，但 要求體積小、可靠性高、控制靈活。目前，常用的電機驅(qū)動控制系統(tǒng)主要有兩種1.采用專 用的電機驅(qū)動器，外加控制器的模式，這種方案控制簡單，但具有體積大的缺點，另外，專用 的電機驅(qū)動器，只能驅(qū)動一種電機，如果系統(tǒng)中既有步進電機，又有直流電機時，就需要兩 套不同的驅(qū)動器；2.采用通用的高集成電機驅(qū)動控制系統(tǒng)，這種方案接口豐富、體積小、控 制精度高，但為了實現(xiàn)復雜的運動控制功能，多采用專用的運動控制芯片，如DSP，無疑增加 了系統(tǒng)的成本和復雜度。
發(fā)明內(nèi)容
為了避免在非復雜、小功率的運動控制場合使用結(jié)構復雜、體積大、成本高的驅(qū)動 控制系統(tǒng)，本發(fā)明提供一種微型多功能電機驅(qū)動控制器，它將驅(qū)動器和控制器集成在一起， 可以控制一路兩相步進電機，也可以控制兩路直流電機，還可以實現(xiàn)串口控制、組網(wǎng)控制。 該電機驅(qū)動控制器具有接口豐富、功能多樣、體積小、成本低的特點。本發(fā)明解決上述問題所采用的技術方案，一種微型多功能電機驅(qū)動控制器，包括 單片機控制系統(tǒng)、JTAG連接插針、電機驅(qū)動模塊、兩個電源模塊、最大電流選擇器、撥碼開 關、光耦隔離電路、電機控制輸入接口、快速恢復二極管、電機驅(qū)動輸出接口、電源輸入接 口、串行通信轉(zhuǎn)換器、串行通信連接器、數(shù)字IO 口驅(qū)動芯片、模擬及數(shù)字IO 口連接器；各單元的連接關系JTAG連接插針與單片機控制系統(tǒng)的JTAG端口連接；電源模塊1的輸入端與電源 輸入接口連接，電源模塊1的輸出端與電機驅(qū)動模塊、數(shù)字IO 口驅(qū)動芯片、5串行通信轉(zhuǎn)換 器、電源模塊2、最大電流選擇器、光耦隔離電路連接；單片機控制系統(tǒng)的電源輸入引腳與 電源模塊2連接；單片機控制系統(tǒng)的數(shù)字IO 口組1與光耦隔離電路連接，光耦隔離電路的 另一端與電機控制輸入接口連接；單片機控制系統(tǒng)的模擬電壓輸入引腳與模擬及數(shù)字IO 口連接器連接；單片機控制系統(tǒng)的串行通信端口與串行通信轉(zhuǎn)換器連接，串行通信轉(zhuǎn)換器 的另一端與串行通信連接器連接；單片機控制系統(tǒng)的數(shù)字IO 口組2經(jīng)數(shù)字IO 口驅(qū)動芯片 與模擬及數(shù)字IO 口連接器連接；撥碼開關與單片機控制系統(tǒng)的數(shù)字IO 口組3連接；電機驅(qū) 動模塊的SPI接口與單片機控制系統(tǒng)的數(shù)字IO 口組4連接；電機驅(qū)動模塊的驅(qū)動輸出端口 經(jīng)快速恢復二極管與電機驅(qū)動輸出接口連接；電機驅(qū)動模塊與最大電流選擇器連接。所述的單片機控制系統(tǒng)包括內(nèi)部振蕩器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、IO輸入輸出模塊、串行 通信模塊、在系統(tǒng)可編程FLASH存儲器、高速運算單元。
所述的電機驅(qū)動模塊包括內(nèi)部振蕩器、SPI總線通信模塊、控制邏輯單元、可編 程PWM定時器、6位DAC轉(zhuǎn)換模塊、參考電壓輸入模塊、MOSFET驅(qū)動電路、兩個H橋驅(qū)動電 路、電流采樣電阻、保護電路。本發(fā)明的工作過程電源輸入接口為所述的微型多功能電機驅(qū)動控制器提供電源 輸入接口 ；電源模塊1為數(shù)字IO 口驅(qū)動芯片、RS485串行通信轉(zhuǎn)換器、電機驅(qū)動模塊、最大 電流選擇器、光耦隔離電路、電源模塊2提供5V電源；電源模塊2將輸入的5V電壓轉(zhuǎn)為 3. 3V電壓，為單片機控制系統(tǒng)提供電源；單片機控制系統(tǒng)通過模擬及數(shù)字IO 口連接器讀取 模擬電壓信息和數(shù)字IO信息，如電位計、限位狀態(tài)等；單片機控制系統(tǒng)通過光耦隔離電路、 電機控制輸入接口讀取電機控制命令信息；單片機控制系統(tǒng)通過撥碼開關設定步進電機步 距角的細分倍率；單片機控制系統(tǒng)讀取電位計信息、限位狀態(tài)信息、電機控制命令信息、細 分倍率設定值之后，通過電機驅(qū)動模塊的SPI總線向其寫入控制命令字；電機驅(qū)動模塊采 用恒流斬波驅(qū)動技術，在接收到控制命令字后，通過控制輸出電流的大小和方向，實現(xiàn)電機 的轉(zhuǎn)動；電機驅(qū)動模塊同時根據(jù)最大電流選擇器的設定值，控制電機驅(qū)動輸出接口的最大 輸出電流。本發(fā)明采用的單片機控制系統(tǒng)不需要外部晶體或時鐘，降低了電路復雜度，使用 在系統(tǒng)可編程FLASH存儲器，無需外部存儲器，具有結(jié)構簡單、體積小的特點。 本發(fā)明采用的電機驅(qū)動模塊具有兩個H橋驅(qū)動電路，可以驅(qū)動一個兩相步進電 機，同時，通過設置最大電流選擇器和撥碼開關，可以實現(xiàn)最大相電流的分級設定，以及步 進電機步距角的最大64細分；本發(fā)明還可以驅(qū)動兩個直流電機，通過控制所述的電機驅(qū)動 模塊的6位DAC轉(zhuǎn)換模塊，可以實現(xiàn)直流電機的電流控制功能。本發(fā)明在控制步進電機時，利用單片機控制系統(tǒng)的在系統(tǒng)可編程FLASH存儲器， 斷電前，記錄步進電機的停止位置，實現(xiàn)位置記憶功能，在下一次上電啟動時，步進電機從 FLASH存儲器中記錄的位置啟動，可以保證在細分模式下步進電機的平穩(wěn)啟動。本發(fā)明具有的電機控制輸入接口，兼容TTL電平，可以實現(xiàn)所述驅(qū)動控制器與外 部控制器連接，由外部控制器來實現(xiàn)復雜的運動控制功能。本發(fā)明還具有與外部進行通信的通信單元，該通信單元主要由單片機控制系統(tǒng)的 串行通信端口、RS485串行通信轉(zhuǎn)換器、串行通信連接器組成，可以實現(xiàn)所述驅(qū)動控制系統(tǒng) 的串口控制、組網(wǎng)控制。本發(fā)明的有益效果是，避免在小功率、非復雜控制系統(tǒng)中使用價格昂貴、結(jié)構復雜 的控制方案，降低成本、減小體積。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖1是本發(fā)明的結(jié)構框圖。圖2是本發(fā)明控制步進電機的連接示意圖。圖3是本發(fā)明控制直流電機的連接示意圖。圖4是本發(fā)明組網(wǎng)控制連接示意圖。圖中101為電機驅(qū)動輸出接口，102為電源輸入接口，103為最大電流選擇器，104 為撥碼開關，105為電機控制輸入接口，106為快速恢復二極管，107為電源模塊1，108為光耦隔離電路，109為電源模塊2，110為電機驅(qū)動模塊，111為單片機控制系統(tǒng)，112為JTAG連 接插針，113為數(shù)字IO 口驅(qū)動芯片，114為串行通信轉(zhuǎn)換器，115為模擬及數(shù)字IO 口連接器， 116為串行通信連接器，201為外接控制器，202為步進電機，203為直流電源，301為外接控 制器，302為直流電機1，303為直流電機2，303為直流電源，401為計算機，402為RS232轉(zhuǎn) RS485轉(zhuǎn)換器，403為RS485通信網(wǎng)絡。
具體實施例方式在圖1中，電源輸入接口 102與外部供電電源連接，為整個系統(tǒng)提供輸入電源，輸 入電壓范圍為15 40V ；電源模塊107采用寬電壓輸入、高效率的DC-DC模塊MC34063A， 其輸出的5V電壓提供給數(shù)字IO 口驅(qū)動芯片113、電機驅(qū)動模塊110、最大電流選擇器103、 光耦隔離電路108、電源模塊2為109 ；電源模塊2采用低壓差、固定電壓輸出的電源芯 片AS1117-3. 3，其輸出的3. 3V電壓為單片機控制系統(tǒng)111提供電源；單片機控制系統(tǒng) 111采用新華龍單片機C8051F310 ；電機控制輸入接口 105由四個輸入端口組成，其中一 個為5V電源輸入引腳，另外三個為電機控制引腳，兼容TTL電平；光耦隔離電路108采用 HCPL-2531 JTAG連接插針115為普通雙排插針；RS485串行通信轉(zhuǎn)換器114采用TI公司 生產(chǎn)的SN65HVD485芯片；串行通信連接器116采用普通的DB9連接器；數(shù)字IO 口驅(qū)動芯 片113由兩片74LS245構成，其中一片74LS245為輸入口驅(qū)動芯片，另一片74LS245為輸出 口驅(qū)動芯片；模擬及數(shù)字IO 口連接器115采用普通的DB26連接器；電機驅(qū)動模塊110采 用Allegro公司生產(chǎn)的電機驅(qū)動芯片A3992 ；快速恢復二極管106采用DIODES公司生產(chǎn)的 B360,電機驅(qū)動模塊110的輸出接口接入快速恢復二極管106后，可以有效降低電機驅(qū)動模 塊110的發(fā)熱量；電機驅(qū)動輸出接口 101由四個端口構成，分別為A+、A-、B+、B-，四個端口 可以接入一個兩相步進電機，也可以接入兩個直流電機，其中，A+、A-接一路直流電機，B+、 B-接另一路直流電機；最大電流選擇器103由三位撥碼開關、三個精度電阻、電壓穩(wěn)壓 芯片LM317構成，其中撥碼開關選擇三個電阻的不同連接方式，構成LM317的反饋電阻，從 而使LM317輸出不同電壓，此電壓提供給電機驅(qū)動模塊110的參考電壓輸入模塊，控制其輸 出的最大電流值；撥碼開關114由三位撥碼開關組成，其不同的通斷開關量提供給單片機 控制系統(tǒng)111，當控制步進電機時，撥碼開關114不同的開關值，用來設置步進電機步距角 的細分倍率，而在控制直流電機時，撥碼開關114可以作為通用的開關使用，具體功能可由 用戶定義。圖2是使本發(fā)明控制步進電機的連接示意圖，在圖中，控制器201是任意能提供 +5V電源和兼容TTL電平IO引腳的控制器，用戶可根據(jù)需要選擇，控制器201與電機控制輸 入接口 105連接；步進電機202為額定相電流低于1. 5A、額定電壓在15 40V之間的普通 兩相步進電機，與電機驅(qū)動輸出接口 101的A+、A-、B+、B-連接；直流電源203可根據(jù)步進電 機的額定電壓和額定電流來選擇，由用戶提供，其中電壓范圍為15 40V。在實際使用時， 用戶根據(jù)需要首先設定最大電流選擇器103、撥碼開關114，分別設置驅(qū)動控制器的最大輸 出電流和步距角細分倍率，然后通過電機控制輸入接口 105，控制步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和 停止。本發(fā)明在控制步進電機時，充分利用單片機控制系統(tǒng)111的在系統(tǒng)可編程FLASH存 儲器，可以實現(xiàn)位置記憶功能，實現(xiàn)細分模式下步進電機的平穩(wěn)啟動。驅(qū)動兩相步進電機的參數(shù)如下
輸入電源電壓15 40V步距角整步，2、4、8、16、32、64細分最大驅(qū)動電流1. 3A/相，分 0. 19Α、0. 37Α、0· 56Α、0. 76Α、0. 95Α、1· 13Α、1· 3Α 七檔可 設圖3是使本發(fā)明控制直流電機的連接示意圖，在圖中，控制器301為任意能提供 +5V電源和兼容TTL電平IO引腳的控制器，用戶可根據(jù)需要選擇，控制器301與電機控制輸 入接口 105連接；直流電機302和直流電機303為額定電流低于1. 5Α、額定電壓在15 40V之間的 的普通直流電機，其中，Α+、Α-接一路直流電機，Β+、Β-接另一路直流電機；直流電源304可 根據(jù)直流電機的額定工作電壓和額定工作電流來選擇，由用戶提供，其中電壓范圍為15 40V。在實際使用時，用戶根據(jù)需要首先設定最大電流選擇器103，設置驅(qū)動控制器的最大輸 出電流，然后通過電機控制輸入接口 105控制直流電機的運動。本發(fā)明在控制直流電機時， 充分利用電機驅(qū)動模塊110的6位DAC轉(zhuǎn)換模塊和參考電壓輸入模塊，實現(xiàn)直路電機的電 流控制功能，即實現(xiàn)簡單的電流環(huán)控制。驅(qū)動直流電機的參數(shù)如下
輸入電源電壓15 40V最大驅(qū)動電流1. 3Α，分 0. 19Α、0. 37Α、0· 56Α、0. 76Α、0. 95Α、1· 13Α、1· 3Α 七檔可設6bit電流調(diào)節(jié)分辨率圖4是本發(fā)明的串口控制及網(wǎng)絡連接示意圖，圖中計算機401為普通的計算機； RS232轉(zhuǎn)RS485轉(zhuǎn)換器402將RS232電平轉(zhuǎn)換為RS485電平，此轉(zhuǎn)換器由用戶提供；本發(fā)明 可以通過串行通信連接器116接入RS485通信網(wǎng)絡403，實現(xiàn)系統(tǒng)的串口控制、組網(wǎng)控制，其 中，網(wǎng)絡中的每個驅(qū)動控制器具有一個唯一的ID號，存儲在單片機控制系統(tǒng)111的在系統(tǒng) 可編程FLASH存儲器中。在網(wǎng)絡遠程控制中，每個分系統(tǒng)的電機控制輸入接口 105的控制 功能被屏蔽，電機控制及狀態(tài)查詢命令直接由串口獲取，即無需外接控制器，只通過串口就 可以實現(xiàn)電機的控制。本發(fā)明的控制核心是C8051F310單片機，軟件程序根據(jù)系統(tǒng)功能特點采用模塊化 設計，使用C語言編程實現(xiàn)，具有很高的移植性和維護性，另外，標準的JTAG接口方便了系 統(tǒng)的調(diào)試。
權利要求
微型多功能電機驅(qū)動控制器，其特征在于該電機驅(qū)動控制器將驅(qū)動器和控制器集成在一起，控制一路兩相步進電機，或控制兩路直流電機，還可以實現(xiàn)串口控制、組網(wǎng)控制；該電機驅(qū)動控制器包括電機驅(qū)動輸出接口(101)、電源輸入接口(102)、最大電流選擇器(103)、撥碼開關(104)、電機控制輸入接口(105)、快速恢復二極管(106)、電源模塊1(107)、光耦隔離電路(108)、電源模塊2(109)、電機驅(qū)動模塊(110)、單片機控制系統(tǒng)(111)、JTAG連接插針(112)、數(shù)字IO口驅(qū)動芯片(113)、串行通信轉(zhuǎn)換器(114)、模擬及數(shù)字IO口連接器(115)、串行通信連接器(116)；各部分按順序連接JTAG連接插針(112)與單片機控制系統(tǒng)(111)的JTAG端口連接；電源模塊1(107)的輸入端與電源輸入接口(102)連接，電源模塊1的輸出端與電機驅(qū)動模塊(110)、數(shù)字IO口驅(qū)動芯片(113)、RS485串行通信轉(zhuǎn)換器(114)、電源模塊2(109)、最大電流選擇器(103)、光耦隔離電路(108)連接；單片機控制系統(tǒng)的電源輸入引腳與電源模塊2(109)連接；單片機控制系統(tǒng)的數(shù)字IO口組1與光耦隔離電路(108)連接，光耦隔離電路的另一端與電機控制輸入接口(105)連接；單片機控制系統(tǒng)(111)的模擬電壓輸入引腳與模擬及數(shù)字IO口連接器(115)連接；單片機控制系統(tǒng)的串行通信端口與RS485串行通信轉(zhuǎn)換器(114)連接，串行通信轉(zhuǎn)換器的另一端與串行通信連接器(116)連接；單片機控制系統(tǒng)的數(shù)字IO口組2經(jīng)數(shù)字I0口驅(qū)動芯片(113)與模擬及數(shù)字IO口連接器(115)連接；撥碼開關(104)與單片機控制系統(tǒng)的數(shù)字IO口組3連接；電機驅(qū)動模塊的SPI接口與單片機控制系統(tǒng)的數(shù)字IO口組4連接；電機驅(qū)動模塊(110)的驅(qū)動輸出端口經(jīng)快速恢復二極管與電機驅(qū)動輸出接口連接；電機驅(qū)動模塊(110)與最大電流選擇器(103)連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的微型多功能電機驅(qū)動控制器，其特征在于所述單片機控制 系統(tǒng)(111)不需要外部晶體或時鐘，使用在系統(tǒng)可編程存儲器，無需外部存儲器，利用該存 儲器在斷電前記錄步進電機的停止位置，實現(xiàn)位置記憶功能，在下一次上電啟動時，步進電 機從存儲器中記錄的位置啟動，可以保證在細分模式下步進電機的平穩(wěn)啟動。
3.根據(jù)權利要求1所述的微型多功能電機驅(qū)動控制器，其特征在于所述電機控制輸 入接口(105)，兼容TTL電平，實現(xiàn)所述驅(qū)動控制器與外部控制器連接，由外部控制器來實 現(xiàn)復雜的運動控制功能；同時還具有與外部進行通信的通信單元，該通信單元主要由單片 機控制系統(tǒng)(111)通過串行通信連接器(116)接入通信網(wǎng)絡(403)，實現(xiàn)所述驅(qū)動控制系統(tǒng) 的串口控制、組網(wǎng)控制。
4.根據(jù)權利要求1所述的微型多功能電機驅(qū)動控制器，其特征在于所述電機驅(qū)動模 塊(110)具有兩個H橋驅(qū)動電路，驅(qū)動一個兩相步進電機，同時，通過設置最大電流選擇器 和撥碼開關，實現(xiàn)最大相電流的分級設定，以及步進電機步距角的2-64細分；還可以驅(qū)動 兩個直流電機，通過控制所述的電機驅(qū)動模塊(110)的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)直流電機的電 流控制功能。
5.根據(jù)權利要求1和4所述的微型多功能電機驅(qū)動控制器，其特征在于所述微型多 功能電機驅(qū)動控制器對于步進電機的控制控制器(201)與電機控制輸入接口(105)連接； 步進電機(202)與電機驅(qū)動輸出接口(101)的A+、A-、B+、B-連接；最大電流選擇器(103)、 撥碼開關(114)，分別設置驅(qū)動控制器的最大輸出電流和步距角細分倍率，然后通過電機控 制輸入接口(105)，控制步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止；在控制步進電機時，充分利用單片機控制系統(tǒng)(ill)的在系統(tǒng)可編程存儲器，實現(xiàn)位置記憶功能，實現(xiàn)細分模式下步進電機 的平穩(wěn)啟動。
6.根據(jù)權利要求1和4所述的微型多功能電機驅(qū)動控制器，其特征在于所述微型多 功能電機驅(qū)動控制器對于直流電機的控制直流電機(302)和直流電機(303)與電機驅(qū)動 輸出接口(101)的A+、A-、B+、B-連接，其中，A+、A-接一路直流電機，B+、B-接一路直流電 機；設置驅(qū)動控制器的最大輸出電流，然后通過電機控制輸入接口(105)控制直流電機的 運動，充分利用電機驅(qū)動模塊(110)的6位DAC轉(zhuǎn)換模塊和參考電壓輸入模塊，實現(xiàn)直流電 機的電流控制功能，即實現(xiàn)簡單的電流環(huán)控制。
全文摘要
微型多功能電機驅(qū)動控制器，屬于機電技術領域中電機控制系統(tǒng)。該電機驅(qū)動控制器包括單片機控制系統(tǒng)、JTAG連接插針、電機驅(qū)動模塊、兩個電源模塊、最大電流選擇器、撥碼開關、光耦隔離電路、電機控制輸入接口、快速恢復二極管、電機驅(qū)動輸出接口、電源輸入接口、串行通信轉(zhuǎn)換器、串行通信連接器、數(shù)字IO口驅(qū)動芯片、模擬及數(shù)字IO口連接器；各部分按順序連接。本發(fā)明提供一種微型多功能電機驅(qū)動控制器，它將驅(qū)動器和控制器集成在一起，可以控制一路兩相步進電機，也可以控制兩路直流電機，還可以實現(xiàn)串口控制、組網(wǎng)控制。該電機驅(qū)動控制器具有接口豐富、功能多樣、應用廣泛、體積小、成本低的特點。
文檔編號H02P29/00GK101807879SQ201010143658
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月12日 優(yōu)先權日2010年4月12日
發(fā)明者孟浩然, 張岳, 張斌, 李洪文, 王帥, 陰玉梅 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所