CN113060584B - 用于步进电机的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及步进电机控制电路领域，具体涉及用于步进电机的控制系统，包括纠偏传感模块、信号放大模块、驱动模块和控制模块，纠偏传感模块用于检测卷材卷绕过程中的正向偏移量和反向偏移量，并经过信号放大模块进行放大处理后发送至控制模块，控制模块根据正向偏移量和反向偏移量向驱动模块发送控制信号，驱动模块根据控制信号向步进电机发送正向驱动信号或反向驱动信号。本发明对卷材卷绕生产过程中的正向和反向的偏移量进行纠正，尤其是针对来回传送的卷材，无需额外安装纠偏控制设备，自动控制，无需人工干预，节省了人力成本，物料收放卷均可适用，精度高，在工控现场的适用范围广。

Description

用于步进电机的控制系统

技术领域

本发明涉及步进电机控制电路领域，具体涉及用于步进电机的控制系统。

背景技术

步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的电动机。每输入一个脉冲信号，转子就转动一个角度或前进一步，其输出的角位移或线位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。所以，步进电机广泛应用于工业生产中，为了提高工业生产效率，需要对步进电机进行自动控制，让步进电机按照预定的要求进行工作。

在纸张、电池薄膜卷材、塑料薄膜、金属箔和无纺布等卷材的卷绕加工时，需要设置往复摆动的纠偏架对卷绕过程中的卷材进行纠偏，步进电机作为纠偏架往复摆动的动力源，步进电机的工作控制要非常准确，现有的电机控制器不能根据卷材的纠偏进行控制，影响卷材卷绕的工作效率。

发明内容

本发明意在提供一种用于步进电机的控制系统，以控制步进电机对卷材的卷绕进行纠偏。

本方案中的用于步进电机的控制系统，包括纠偏传感模块、信号放大模块、驱动模块和控制模块，所述纠偏传感模块用于检测卷材卷绕过程中的正向偏移量和反向偏移量，并经过信号放大模块进行放大处理后发送至控制模块，所述控制模块根据正向偏移量和反向偏移量向驱动模块发送控制信号，所述驱动模块根据控制信号向步进电机发送正向驱动信号或反向驱动信号。

本方案的有益效果是：

通过纠偏传感模块检测卷材卷绕过程中的正向偏移量和反向偏移量，然后将检测到的正向偏移量和反向偏移量放大处理后发送至控制模块，由控制模块根据正向偏移量和反向偏移量向驱动模块发送控制信号，让驱动模块根据控制信号驱动步进电机或步进电机进行纠偏，使用同一个控制系统对两个方向进行纠偏，无需设置两个控制系统，无需更换不同的控制系统，更方便。

进一步，还包括开关模块，所述开关模块电连接在驱动模块与步进电机之间，所述驱动模块的驱动信号经过开关模块后向步进电机输出正向驱动信号或反向驱动信号。

有益效果是：通过开关模块将驱动模块的驱动信号输送至步进电机，保证步进电机控制的有效性。

进一步，所述开关模块包括调节电路，所述调节电路包括第一场效应管(Q2)、第二场效应管(Q4)、第三场效应管(Q3)和第四场效应管(Q5)，所述第一场效应管(Q2)和第二场效应管(Q4)向步进电机输出正向驱动信号，所述第三场效应管(Q3)和第四场效应管(Q5)向步进电机输出反向驱动信号。

有益效果是：通过场效应管进行步进电机的控制，能够快速地启动和停止，提高步进电机的准确控制，以准确纠偏。

进一步，所述信号放大模块包括第一放大器(AR1A)和第二放大器(AR1B)，所述纠偏传感模块包括正向偏移传感器(Sensor1)和反向偏移传感器(Sensor2)，所述正向偏移传感器(Sensor1)信号连接在第一放大器(AR1A)的正向输入引脚(5)上，所述反向偏移传感器(Sensor2)信号连接在第二放大器(AR1B)的正向输入引脚(3)上。

有益效果是：通过两个放大器，可以单独对正向偏移量和反向偏移量进行放大，保证偏移量处理后的准确性。

进一步，所述正向偏移传感器(Sensor1)和反向偏移传感器(Sensor2)通过四端口的插针(J9)与第一放大器(AR1A)和第二放大器(AR1B)连接。

有益效果是：通过两个传感器进行卷材收卷和放卷过程中的偏移检测，不需要在收卷或放卷时再次调节传感器位置，使用更方便。

进一步，还包括存储模块，所述存储模块包括存储器(U5)，所述存储器的时钟输入引脚(SCLK)与第五十八电阻(R58)一端连接，所述存储器的串行输入引脚(SDA)与第五十九电阻(R59)一端连接，所述第五十八电阻(R58)另一端和第五十九电阻(R59)的另一端并联后连接存储器的电源引脚(VCC)，所述存储器的其余引脚接地，所述存储器的时钟输入引脚(SCLK)与串行输入引脚(SDA)信号连接至控制模块。

进一步，还包括显示模块，所述显示模块包括显示驱动(J1)和显示屏，所述显示驱动(J1)信号连接在控制模块和显示屏之间。

有益效果是：通过设置显示模块可以对纠偏控制的内容进行显示，能够更直观地查看纠偏控制内容。

进一步，还包括通信模块，所述通信模块包括用于向显示模块传送信息的通信器(U4)，所述通信器(U4)的接收输出端(RO)和驱动输入端(DI)信号连接至控制模块，所述通信器(U4)的接收输出使能端(RE)和驱动输出使能端(DE)并联后信号连接至控制模块。

有益效果是：让显示模块及时显示控制过程的信息。

附图说明

图1为本发明用于步进电机的控制系统实施例一的示意性框图；

图2为本发明用于步进电机的控制系统实施例一中控制模块的引脚分配图；

图3为本发明用于步进电机的控制系统实施例一中驱动模块的引脚分配图；

图4为本发明用于步进电机的控制系统实施例一中收发器和线路接收器的引脚连接图；

图5为本发明用于步进电机的控制系统实施例一中的调节电路的电路示意图；

图6为本发明用于步进电机的控制系统实施例一中信号放大模块的电路示意图；

图7为本发明用于步进电机的控制系统实施例一中传感器连接引脚图；

图8为本发明用于步进电机的控制系统实施例一中存储模块的电路示意图；

图9为本发明用于步进电机的控制系统实施例一中通信模块的电路示意图；

图10为本发明用于步进电机的控制系统实施例一中显示驱动的电路示意图；

图11为本发明用于步进电机的控制系统实施例三中隔离套的纵向截面图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明。

实施例一

用于步进电机的控制系统，如图1所示：包括纠偏传感模块、信号放大模块、驱动模块、开关模块、存储模块、通信模块、显示模块和控制模块，信号放大模块、驱动模块、开关模块、存储模块、通信模块和控制模块位于第一电路板上，显示模块位于第二电路板上，纠偏传感模块通过数据线与第一电路板上的控制模块传输信息，第一电路板与第二电路板通过通信模块进行信息交互，即第一电路板上的信息通过通信模块发送至第二电路板的显示模块上进行显示，纠偏传感模块用于检测卷材卷绕过程中的正向偏移量和反向偏移量，正向偏移量是卷材向前传输时在宽度方向上的偏移量，反向偏移量是卷材向后传输时在宽度方向上的偏移量，正向偏移量和反向偏移量经过信号放大模块进行放大处理后发送至控制模块，控制模块根据收到的正向偏移量和反向偏移量向驱动模块发送控制信号，驱动模块根据控制信号向步进电机发送正向驱动信号或反向驱动信号，步进电机为STP-42D型号的产品。

如图2、图3和图4所示，开关模块电连接在驱动模块与步进电机之间，驱动模块为TMC5160-TA型号的单轴驱控芯片，控制模块可用现有STM32F103RCT6型号的控制芯片，或者也可使用现有AT32F413RCT7型号的控制芯片，驱动模块的驱动使能引脚(DRV_ENN)与控制模块的PA7引脚信号连接，驱动模块的CSN_CFG3引脚、SPI_SCK引脚、SPI_MOSI引脚和SPI_MISO引脚分别与控制模块的PB12引脚、PB13引脚、PB14引脚和PB15引脚信号连接，即驱动模块与控制模块通过SPI总线信号连接，驱动模块的ENCA_DCIN_CFG5引脚与控制模块的PA11引脚信号连接，驱动模块的ENCB_DCEN_CFG4引脚与控制模块的PA12引脚信号连接，ENCA_DCIN_CFG5引脚与PA11引脚间引出导线信号连接至收发器U9的2Y引脚上，收发器U9为SN74LVC3G17DCUR型号的芯片，ENCB_DCEN_CFG4引脚与PA12引脚间引出导线连接至收发器U9的1Y引脚上，收发器U9的1A引脚信号连接至线路接收器U8的1Y引脚上，路接收器U8为AM26LS32型号的芯片，收发器U9的2A引脚信号连接至线路接收器U8的2Y引脚上。

如图5所示，在正向纠偏时，驱动模块的驱动信号经过开关模块后向步进电机输出正向驱动信号，在反向纠偏时，驱动模块的驱动信号经过开关模块后向步进电机输出反向驱动信号；具体电路图为，开关模块包括调节电路，调节电路包括第一场效应管Q2、第二场效应管Q4、第三场效应管Q3和第四场效应管Q5，第一场效应管Q2、第二场效应管Q4、第三场效应管Q3和第四场效应管Q5为双N沟道MOS管，第一场效应管Q2、第二场效应管Q4、第三场效应管Q3和第四场效应管Q5可用现有AO4882型号的产品，或者也可以选用AO4884型号的产品，第一场效应管Q2和第二场效应管Q4向步进电机输出正向驱动信号，第三场效应管Q3和第四场效应管Q5向步进电机输出反向驱动信号。

如图6所示，信号放大模块包括第一放大器AR1A和第二放大器AR1B，纠偏传感模块包括正向偏移传感器Sensor1和反向偏移传感器Sensor2，正向偏移传感器Sensor1和反向偏移传感器Sensor2可用现有的超声波或者红外传感器，正向偏移量和反向偏移量通过传感器反馈的不同电压大小进行计量，正向偏移传感器Sensor1信号连接在第一放大器AR1A的正向输入引脚(5)上，反向偏移传感器Sensor2信号连接在第二放大器AR1B的正向输入引脚3上，第一放大器AR1A与第二放大器AR1B的接地引脚并联在第十电阻R10和第十五电容C15的一端，第十电阻R10和第十五电容C15的另一端并联接地。

如图7所示，正向偏移传感器Sensor1和反向偏移传感器Sensor2通过四端口的插针J9与第一放大器AR1A和第二放大器AR1B连接。

如图8所示，存储模块包括存储器U5，存储器U5可用现有24C02型号的芯片，存储器的时钟输入引脚SCLK与第五十八电阻R58一端连接，存储器的串行输入引脚SDA与第五十九电阻R59一端连接，第五十八电阻R58另一端和第五十九电阻R59的另一端并联后连接存储器的电源引脚VCC，存储器的其余引脚接地，存储器的时钟输入引脚SCLK与串行输入引脚SDA信号连接至控制模块，存储器存储了控制模块核心参数的所有内容，包括纠偏增益、盲区、速度等用户可以调节的内容，也包括电机位置掉电实时保存，用户调节的内容通过按键向控制模块发送，按键通过控制芯片上的引脚8、9、10、11输入调节信号，具体为控制芯片上的PC0、PC1、PC2和PC3引脚。

如图9所示，通信模块包括通信器U4，通信器U4可用现有，通信器U4的接收输出端RO和驱动输入端DI分别信号连接至控制模块的引脚PB11和引脚PB10，通信器U4的接收输出使能端RE和驱动输出使能端DE并联后信号连接至控制模块的引脚PB2。

如图10所示，显示模块包括显示驱动J1和显示屏，显示驱动J1信号连接在控制模块和显示屏之间。

具体实施过程如下：

在卷材加工过程中，在对步进电机进行控制时，通过正向偏移传感器Sensor1检测卷材的正向偏移量，将正向偏移量经过放大模块的第一放大器AR1A处理放大后，输入至控制模块，即放大后的正向偏移量经过控制芯片的PA4引脚进行模数转换，由控制模块根据正向偏移量得到对应的控制信号并发送至驱动模块；由驱动模块将控制信号经过开关模块的场效应管调节电路转换成正向驱动信号，将正向驱动信号输出至步进电机，让步进电机进行正向纠偏。

在反向纠偏时，通过反向偏移传感器Sensor2检测卷材的反向偏移量，将反向偏移量经过放大模块的第二放大器AR1B处理放大后，输入至控制模块，即放大后的反向偏移量经过控制芯片进行模数转换，由控制模块根据反向偏移量得到对应的控制信号并发送至驱动模块；由驱动模块将控制信号经过开关模块的场效应管调节电路转换成反向驱动信号，将反向驱动信号输出至步进电机，让步进电机进行反向纠偏。

纠偏过程中产生的控制参数通过通信模块发送至显示模块进行显示。

本实施例一通过同一控制电路，对卷材卷绕生产过程中的正向和反向的偏移量进行纠正，尤其是针对来回传送的卷材，如卷材的收卷过程和放卷过程，无需针对收卷过程和放卷过程分别额外安装纠偏控制设备，节省设备的安装空间，只需安装一次纠偏的控制设备即可，也无需针对收卷和放卷分别更换控制设备，节省了人力成本，步进电机的整个过程自动控制，无需人工干预，并且物料收放卷均可适用，精度高，在工控现场的适用范围特别广。

实施例二

与实施例一的区别在于，正向偏移传感器Sensor1和反向偏移传感器Sensor2分别可拆卸设置在卷材宽度方向的两侧处，例如两个传感器通过螺钉和螺帽可拆卸连接，控制模块根据收到的正向偏移量和反向偏移量向驱动模块发送控制信号，例如正向偏移量表示偏离开正向偏移传感器Sensor1时则向正向偏移传感器Sensor1一侧纠正偏移，驱动模块根据控制信号向步进电机发送正向驱动信号或反向驱动信号，即将正向偏移传感器Sensor1和反向偏移传感器Sensor2组合使用作为卷材检中信号输入，以保持卷材位于正向偏移传感器Sensor1和反向偏移传感器Sensor2之间的正中位置，并且两个传感器可拆卸连接能够调节相互间的间距，以适应不同宽度的卷材，适用范围更广泛。

实施例三

与实施例二的区别在于，如图11所示，第一电路板和第二电路板的端沿上安装有U形的隔离套1，第一电路板和第二电路板上分别设置有两个隔离套1，隔离套1使用橡胶制成，隔离套1的U形开口宽度小于第一电路板和第二电路板的厚度，隔离套1上粘接有圆柱状的套筒2，套筒2内阻尼插入有支撑柱，套筒2的筒内直径小于支撑柱。

由于第一电路板和第二电路板分别具有不同的功能，而在实际的两块电路板安装时，由于产品整体外观的美观性，以及产品组装后的体积问题，第一电路板和第二电路板需要以重叠位置方式进行安装，且在安装电路板后，电路板在使用过程中不能随意晃动，所以，电路板在安装至产品的外壳中时容易与外壳内壁产生摩擦引起静电。本实施例三，通过两块电路板边沿上的隔离套，能够隔离开电路板安装时与外壳的硬性摩擦，同时，隔离套1也能阻隔静电，防止电路板在使用过程中产生的静电传导至外壳上，且，两个电路板上的隔离套通过支撑柱进行支撑，在将两个电路板安装入外壳内之前就能固定住两个电路板的间距，无需后续反复调节间距。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.用于步进电机的控制系统，其特征在于：包括纠偏传感模块、信号放大模块、驱动模块和控制模块，所述纠偏传感模块用于检测卷材卷绕过程中的正向偏移量和反向偏移量，并经过信号放大模块进行放大处理后发送至控制模块，所述控制模块根据正向偏移量和反向偏移量向驱动模块发送控制信号，所述驱动模块根据控制信号向步进电机发送正向驱动信号或反向驱动信号；

还包括开关模块，所述开关模块电连接在驱动模块与步进电机之间，所述开关模块包括调节电路，所述调节电路包括第一场效应管Q2、第二场效应管Q4、第三场效应管Q3和第四场效应管Q5，所述第一场效应管Q2和第二场效应管Q4向步进电机输出正向驱动信号，所述第三场效应管Q3和第四场效应管Q5向步进电机输出反向驱动信号，第一场效应管Q2、第二场效应管Q4、第三场效应管Q3和第四场效应管Q5为双N沟道MOS管；

第一场效应管Q2和第二场效应管Q4的连接电路为：第一场效应管Q2的引脚S1与第二场效应管Q4的漏极D1引出引脚电连接，第一场效应管Q2的引脚S1电连接电容C33一端，电容C33另一端电连接至驱动模块的引脚CA1上，第一场效应管Q2的引脚S1电连接至驱动模块的引脚BMA1上；

第一场效应管Q2的引脚S2与第二场效应管Q4的引脚D2电连接，第一场效应管Q2的引脚S2电连接电容C34一端，电容C34另一端电连接至驱动模块的引脚CA2上，第一场效应管Q2的引脚S2电连接至驱动模块的引脚BMA2上；

第三场效应管Q3和第四场效应管Q5的连接电路为：第三场效应管Q3的引脚S1与第四场效应管Q5的漏极D1引出引脚电连接，第三场效应管Q3的引脚S1电连接电容C35一端，电容C35另一端电连接至驱动模块的引脚CB1上，第三场效应管Q3的引脚S1电连接至驱动模块的引脚BMB1上；

第三场效应管Q3的引脚S2与第四场效应管Q5的漏极D2引出引脚电连接，第三场效应管Q3的引脚S2电连接电容C36一端，电容C36另一端电连接至驱动模块的引脚CB2上，第三场效应管Q3的引脚S2电连接至驱动模块的引脚BMB2上；

所述信号放大模块包括第一放大器AR1A和第二放大器AR1B，所述纠偏传感模块包括正向偏移传感器Sensor1和反向偏移传感器Sensor2，所述正向偏移传感器Sensor1信号连接在第一放大器AR1A的正向输入引脚5上，所述反向偏移传感器Sensor2信号连接在第二放大器AR1B的正向输入引脚3上，第一放大器AR1A和第二放大器AR1B的电路连接为：

第一放大器AR1A的引脚4与第二放大器AR1B的引脚4相连接，第一放大器AR1A的引脚4电连接并联电阻R10和电容C15的一端，电阻R10和电容C15的另一端接地；

第一放大器AR1A的引脚4电连接电容C13、二极管D3正极和电阻R7的一端，电容C13、二极管D3和电阻R7另一端电连接至正向偏移传感器Sensor1，电容C13、二极管D3和电阻R7另一端电连接电阻R4一端，电阻R4另一端电连接至第一放大器AR1A的引脚5；

第一放大器AR1A的引脚4电连接电容C14、二极管D4正极和电阻R8的一端，电容C14、二极管D4和电阻R8的另一端电连接至反向偏移传感器Sensor2，电容C14、二极管D4和电阻R8的另一端电连接电阻R9一端，电阻R9另一端电连接至第二放大器AR1B的引脚3。

2.根据权利要求1所述的用于步进电机的控制系统，其特征在于：所述驱动模块的驱动信号经过开关模块后向步进电机输出正向驱动信号或反向驱动信号。

3.根据权利要求1所述的用于步进电机的控制系统，其特征在于：所述正向偏移传感器Sensor1和反向偏移传感器Sensor2通过四端口的插针J9与第一放大器AR1A和第二放大器AR1B连接。

4.根据权利要求1所述的用于步进电机的控制系统，其特征在于：还包括存储模块，所述存储模块包括存储器U5，所述存储器的时钟输入引脚SCLK与第五十八电阻R58一端连接，所述存储器的串行输入引脚SDA与第五十九电阻R59一端连接，所述第五十八电阻R58另一端和第五十九电阻R59的另一端并联后连接存储器的电源引脚VCC，所述存储器的其余引脚接地，所述存储器的时钟输入引脚SCLK与串行输入引脚SDA信号连接至控制模块。

5.根据权利要求1至4任一项所述的用于步进电机的控制系统，其特征在于：还包括显示模块，所述显示模块包括显示驱动J1和显示屏，所述显示驱动J1信号连接在控制模块和显示屏之间。

6.根据权利要求5所述的用于步进电机的控制系统，其特征在于：还包括通信模块，所述通信模块包括用于向显示模块传送信息的通信器U4，所述通信器U4的接收输出端RO和驱动输入端DI信号连接至控制模块，所述通信器U4的接收输出使能端RE和驱动输出使能端DE并联后信号连接至控制模块。