一种基于DSP处理器的步进电机控制器

摘要

本发明提供了一种基于DSP处理器的步进电机控制器，解决现有控制电路结构复杂，步进电机缺乏通用控制架构的技术问题。包括：通用主板，用于承载DSP处理器并提供DSP处理器确定连接引脚的适配电路；步进电机驱动板，用于布设与所述DSP处理器确定引脚连接的功能电路。使得控制器具有多种控制功能可混合步进电机，具有单相全步、两相全步、以及半步驱动方式。具有多种细分控制方式可同时不同类型的步进电机。驱动电流可步进设置。可实现开闭环控制、极限位置控制、电流保护等安全可靠控制功能。具有双路冗余CAN总线进行可靠通讯。使用范围广泛，可靠性高，具有广泛的推广意义。尤其适用于高精度高可靠数字阀、高精度大负载数控油缸领域。

说明书

技术领域

本发明涉及控制器技术领域，具体涉及一种基于DSP28335的步进电机控制器。

背景技术

在液压系统的研制过程中，步进电机应用范围越来越广，在各行各业均广泛应用。由于存在构造差别主要包括两相、三相、四相和五相步进电机，包括但不限于单相全步、两相全步、以及半步驱动方式，包括跨度较大的驱动电流需求，还包括需要开闭环控制、极限位置控制、电流保护等安全可靠控制功能支持，同时步进电机也需要与上位控制器实现高速同步或异步的数据通信。因此对步进电机的控制通用性提出了较高需求。

现有技术中DSP处理器具有精度高，成本低，功耗小，性能高，数据以及程序存储量大等优点。以28335型数字信号处理器为例的接口设置如图1所示。DSP处理器可以提供ADC、McBSP、EMIF、PWM等驱动接口，提供JTAG、Debug、eCAN等通信接口。具有较强的通用信号处理能力。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供一种基于DSP处理器的步进电机控制器，解决现有控制电路结构复杂，步进电机缺乏通用控制架构的技术问题。

本发明实施例的基于DSP处理器的步进电机控制器，包括：

通用主板，用于承载DSP处理器并提供DSP处理器确定连接引脚的适配电路；

步进电机驱动板，用于布设与所述DSP处理器确定引脚连接的功能电路。

本发明一实施例中，所述步进电机控制器包括密封腔体，在所述密封腔体的底部设置缓冲垫层，在所述缓冲垫层上设置定位底座，所述定位底座上设置平行的定位凹槽，在所述定位凹槽两端设置固定孔位，功能板卡底部插入定位凹槽并通过固定适配件与固定孔位固连，在所述定位底座的边缘设置间隔的支撑立柱，在所述支撑立柱的顶部固定水平走线框架，所述水平走线框架的一端活动连接竖直走线框架的上端，所述竖直走线框架的下端连接所述密封腔体的侧壁，在侧壁连接处所述密封腔体形成若干过孔，在所述密封腔体外侧壁上形成固定在所述过孔上的连接端口，围绕所述连接端口形成保护挡板。

本发明一实施例中，所述功能电路包括控制驱动电路，控制驱动电路包括功率放大芯片D1，功率放大芯片D1具体型号采用LMD18245。

本发明一实施例中，功率放大芯片D1的引脚11连接DSP处理器的方向控制信号引脚，功率放大芯片D1的引脚10连接DSP处理器的制动控制信号引脚，功率放大芯片D1的引脚4、6、7和8对应连接DSP处理器的四个电流输出幅值位信号引脚；功率放大芯片D1的引脚1和15对应连接步进电机的功率输入正负端；功率放大芯片D1的引脚9连接24V工作电压，同时功率放大芯片D1的引脚9通过并联的电容C401和电解电容C301连接24V系统电源；功率放大芯片D1的引脚14连接系统负电压，同时功率放大芯片D1的引脚14通过电容C001连接24V系统电源参考地；功率放大芯片D1的引脚5连接24V系统电源；功率放大芯片D1的引脚13并联电阻R201和电容C201形成第一子电路，功率放大芯片D1的引脚3并联电阻R101和电容C101形成第二子电路，第一子电路和第二子电路并联连接功率放大芯片D1的引脚12，功率放大芯片D1的引脚12连接24V系统电源的接地。

本发明一实施例中，所述功能电路包括信号采集电路，信号采集电路包括第一光电耦合器B101、第二光电耦合器B102和电平转换器D11,光电耦合器采用GH1205Z，电平转换器采用SM490。

本发明一实施例中，第一光电耦合器B101的引脚5串联电容C501后连接芯片编程电压，第一光电耦合器B101的引脚6串联电阻R501后连接芯片编程电压，第一光电耦合器B101的引脚7串联电阻R701后连接芯片编程电压，第一光电耦合器B101的引脚9连接芯片编程电压，第一光电耦合器B101的引脚2连接系统负电压，第一光电耦合器B101的引脚6连接DSP处理器的一个通用I/O引脚；第二光电耦合器B102的引脚2连接芯片编程电压，第二光电耦合器B102的引脚3串联电阻R801后连接DSP处理器的另一个通用I/O引脚，第二光电耦合器B102的引脚8连接系统负电压，第二光电耦合器B102的引脚7串联电阻R703后连接系统负电压，第二光电耦合器B102的引脚6串联电阻R503后连接系统负电压，第二光电耦合器B102的引脚5串联电容C503后连接系统负电压，第二光电耦合器B102的引脚5连接24V系统电源的接地；第二光电耦合器B102的引脚6连接电平转换器D11的引脚3，第一光电耦合器B101的引脚3串联电阻R803后连接电平转换器D11的引脚2，电平转换器D11的引脚4连接24V系统电源的接地，电平转换器D11的引脚1连接系统负电压，电平转换器D11的引脚1串联电容C007后连接24V系统电源的接地，电平转换器D11的引脚8反向串联稳压二极管V101后连接24V系统电源的接地，电平转换器D11的引脚7反向串联稳压二极管V102后连接24V系统电源的接地，电平转换器D11的引脚6反向串联稳压二极管V103后连接24V系统电源的接地，电平转换器D11的引脚5反向串联稳压二极管V104后连接24V系统电源的接地，电平转换器D11的引脚8和引脚7间串联电阻R401。

本发明一实施例中，所述功能电路包括开关量输入电路，开关量输入电路包括光耦B1，光耦B1采用GH3202Z。

本发明一实施例中，所述光耦B1的引脚1串联电阻R901后连接开关信号输入，光耦B1的引脚2连接24V系统电源的接地，光耦B1的引脚1和引脚2之间分别连接电容C009和电阻R805，电容C009和电阻R805形成并联；光耦B1的引脚4连接芯片编程电压，光耦B1的引脚4串联电阻R601后连接24V系统电源的接地，光耦B1的引脚4串联电阻R337后连接DSP处理器的一个通用I/O引脚。

本发明一实施例中，所述功能电路包括CAN总线接口电路，CAN总线接口电路包括高速光耦和CAN总线接口芯片，高速光耦采用GH137S，CAN总线接口芯片采用SM1040接口芯片。

本发明一实施例中，CAN总线接口芯片的数据上行端口与高速光耦的电信号输入端口串联，CAN总线采用与CPU隔离的5V电源单独供电。

本发明实施例的基于DSP处理器的步进电机控制器，针对DSP处理器确定引脚形成多样性的功能电路为DSP处理器灵活的驱动策略和高效的数据处理能力提供通用性外围电路，使得驱动电流、驱动方式、驱动数量、信号采集通道和系统间配置控制间的设计差异可以通过DSP处理器的软件内部适配解决。使得控制器具有多种控制功能可混合步进电机，具有单相全步、两相全步、以及半步驱动方式。具有多种细分控制方式可同时控制两台三相步进电机或一台四相步进电机或一台五相步进电机。驱动电流可步进设置。可实现开闭环控制、极限位置控制、电流保护等安全可靠控制功能。具有双路冗余CAN总线进行可靠通讯。使用范围广泛，可靠性高，具有广泛的推广意义。尤其适用于高精度高可靠数字阀、高精度大负载数控油缸领域。

附图说明

图1所示为一种DSP处理器的接口引脚分布示意图。

图2所示为本发明一实施例基于DSP处理器的步进电机控制器的架构示意图。

图3所示为本发明一实施例基于DSP处理器的步进电机控制器的装配结构示意图。

图4所示为本发明一实施例基于DSP处理器的步进电机控制器的控制驱动电路结构示意图。

图5所示为本发明一实施例基于DSP处理器的步进电机控制器的信号采集电路结构示意图。

图6所示为本发明一实施例基于DSP处理器的步进电机控制器的开关量输入电路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一实施例基于DSP处理器的步进电机控制器如图2所示。在图2中，本发明实施例包括：

通用主板，用于承载DSP处理器并提供DSP处理器确定连接引脚的适配电路。

DSP处理器至少提供GPIO通用输入输出连接引脚、RS422串行连接引脚、两路CAN总线连接引脚，各连接引脚通过适配元件形成对应的连接端子，用于与其他具体电路进行适配连接。每一种连接端子的数量不固定，每个连接端子对应一个连接引脚。

步进电机驱动板，用于布设与DSP处理器确定引脚连接的功能电路。

本领域技术人员可以理解，功能电路是一种电路集合，目的是使本实施例的步进电机控制器可以尽可能多的适用于多种类型步进电机的控制需求，并不是存在一种步进电机必然需要本实施例中指出的所有功能电路。功能电路包括但不限于控制驱动电路、信号采集电路、开关量输入电路和CAN总线接口电路等。

本发明实施例的基于DSP处理器的步进电机控制器通过针对DSP处理器确定引脚形成多样性的功能电路为DSP处理器灵活的驱动策略和高效的数据处理能力提供通用性外围电路，使得驱动电流、驱动方式、驱动数量、信号采集通道和系统间配置控制间的设计差异可以通过DSP处理器的软件内部适配解决。使得控制器具有多种控制功能可混合步进电机，具有单相全步、两相全步、以及半步驱动方式。具有多种细分控制方式可同时控制两台三相步进电机或一台四相步进电机或一台五相步进电机。驱动电流可步进设置。可实现开闭环控制、极限位置控制、电流保护等安全可靠控制功能。具有双路冗余CAN总线进行可靠通讯。使用范围广泛，可靠性高，具有广泛的推广意义。尤其适用于高精度高可靠数字阀、高精度大负载数控油缸领域。

本发明一实施例基于DSP处理器的步进电机控制器如图3所示。在图3中，实施例包括一个密封腔体10，在密封腔体10的底部设置缓冲垫层11，在缓冲垫层上设置定位底座12，定位底座12上设置平行的定位凹槽，在定位凹槽两端的定位底座12上设置固定孔位13。

功能板卡底部插入定位凹槽并通过固定适配件与固定孔位13固连形成功能板卡的稳定固连。功能板卡包括但不限于通用主板、步进电机驱动板等。

在定位底座12的边缘设置间隔的支撑立柱14，在支撑立柱14的顶部固定水平走线框架15，水平走线框架15的一端活动连接竖直走线框架16的上端，竖直走线框架16的下端连接密封腔体10的侧壁，在侧壁连接处密封腔体10形成若干过孔，在密封腔体10外侧壁上形成固定在过孔上的连接端口，围绕连接端口形成保护挡板17。

在实际应用中，步进电机控制器包含了步进电机控制电路，常用开关量输入采集电路和通讯接口电路等。可以具有多路独立的单相驱动电路，不同组合可实现不同控制功能。可以集成多路SSI信号采集电路，实现三路编码器类SSI接口信号的采集，实现步进电机闭环控制。集成多路开关量采集电路，通过软件可实现开关量信号采集和滤波处理，可用于步进电机控制对象保护或极限到位保护功能。集成至少两路相互独立的CAN总线接口电路，光电隔离设计，实现了两路CAN总线信号的冗余输入。

基于以上控制器结构，本控制器可以实现步进电机的高精度控制功能，并可满足-40℃～60℃宽温域工作范围。

本发明实施例的基于DSP处理器的步进电机控制器利用缓冲垫层11形成弹性连接，通过弹性连接形成功能板卡在密封腔体10中的稳定悬置，满足控制器在应用场景下的灵活安装和有效避震。同时使得控制器可以以板卡形式进行配置和组装，满足端口的扩展需求。

本发明一实施例基于DSP处理器的步进电机控制器的控制驱动电路如图4所示。在图4中，控制驱动电路包括功率放大芯片D1，功率放大芯片D1具体型号优选采用LMD18245，通过集成的H桥输出形成有效输出精度控制。

功率放大芯片D1的引脚11连接DSP处理器的方向控制信号引脚，功率放大芯片D1的引脚10连接DSP处理器的制动控制信号引脚，功率放大芯片D1的引脚4、6、7和8对应连接DSP处理器的四个电流输出幅值位信号引脚；功率放大芯片D1的引脚1和15对应连接步进电机的功率输入正负端；功率放大芯片D1的引脚9连接24V工作电压，同时功率放大芯片D1的引脚9通过并联的电容C401和电解电容C301连接24V系统电源；功率放大芯片D1的引脚14连接系统负电压，同时功率放大芯片D1的引脚14通过电容C001连接24V系统电源参考地；功率放大芯片D1的引脚5连接24V系统电源；功率放大芯片D1的引脚13并联电阻R201和电容C201形成第一子电路，功率放大芯片D1的引脚3并联电阻R101和电容C101形成第二子电路，第一子电路和第二子电路并联连接功率放大芯片D1的引脚12，功率放大芯片D1的引脚12连接24V系统电源的接地。

本发明一实施例基于DSP处理器的步进电机控制器的信号采集电路如图5所示。在图5中，信号采集电路包括第一光电耦合器B101、第二光电耦合器B102和电平转换器D11,光电耦合器优选GH1205Z，电平转换器优选深圳国微公司的SM490。

第一光电耦合器B101的引脚5串联电容C501后连接芯片编程电压，第一光电耦合器B101的引脚6串联电阻R501后连接芯片编程电压，第一光电耦合器B101的引脚7串联电阻R701后连接芯片编程电压，第一光电耦合器B101的引脚9连接芯片编程电压，第一光电耦合器B101的引脚2连接系统负电压，第一光电耦合器B101的引脚6连接DSP处理器的一个通用I/O引脚；第二光电耦合器B102的引脚2连接芯片编程电压，第二光电耦合器B102的引脚3串联电阻R801后连接DSP处理器的另一个通用I/O引脚，第二光电耦合器B102的引脚8连接系统负电压，第二光电耦合器B102的引脚7串联电阻R703后连接系统负电压，第二光电耦合器B102的引脚6串联电阻R503后连接系统负电压，第二光电耦合器B102的引脚5串联电容C503后连接系统负电压，第二光电耦合器B102的引脚5连接24V系统电源的接地；第二光电耦合器B102的引脚6连接电平转换器D11的引脚3，第一光电耦合器B101的引脚3串联电阻R803后连接电平转换器D11的引脚2，电平转换器D11的引脚4连接24V系统电源的接地，电平转换器D11的引脚1连接系统负电压，电平转换器D11的引脚1串联电容C007后连接24V系统电源的接地，电平转换器D11的引脚8反向串联稳压二极管V101后连接24V系统电源的接地，电平转换器D11的引脚7反向串联稳压二极管V102后连接24V系统电源的接地，电平转换器D11的引脚6反向串联稳压二极管V103后连接24V系统电源的接地，电平转换器D11的引脚5反向串联稳压二极管V104后连接24V系统电源的接地，电平转换器D11的引脚8和引脚7间串联电阻R401。

采用高速光耦进行隔离，实现隔离SSI信号采集电路，DSP处理器利用通用I/O口模拟SSI接口时序进行采集。SSI接口采集频率可达2.5Mbps，采集位数可通过软件设定，配合软件处理可实现格雷码、二进制码等多种类型信号的采集处理。

本发明一实施例基于DSP处理器的步进电机控制器的开关量输入电路如图6所示。在图6中，开关量输入电路包括光耦B1，优选GH3202Z。

光耦B1的引脚1串联电阻R901后连接开关信号输入，光耦B1的引脚2连接24V系统电源的接地，光耦B1的引脚1和引脚2之间分别连接电容C009和电阻R805，电容C009和电阻R805形成并联；光耦B1的引脚4连接芯片编程电压，光耦B1的引脚4串联电阻R601后连接24V系统电源的接地，光耦B1的引脚4串联电阻R337后连接DSP处理器的一个通用I/O引脚。

采用GH3202Z光耦实现开关量输入信号隔离及电平转换，将24V输入信号变换为TTL5V电平信号供单片机采集，可以实现：

输入高电平电压：18～30VDC；

输入低电平电压：-1～5VDC；

高电平输入电流：不小于3mA。

在本发明一实施例中，CAN总线接口电路包括高速光耦和CAN总线接口芯片，高速光耦采用GH137S型号，CAN总线接口芯片采用深圳国微公司的SM1040接口芯片。CAN总线接口芯片的数据上行端口与高速光耦的电信号输入端口串联，CAN总线采用与CPU隔离的5V电源单独供电。

CAN总线接口电路可以适应CAN总线最高通讯速度可达1MHz。设置两路相互独立的CAN总线接口电路，实现了两路CAN总线信号的冗余输入。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。