一种开环步进电机驱控一体板卡
阅读说明：本技术 一种开环步进电机驱控一体板卡 (Open-loop stepping motor drives integrative integrated circuit board of accuse ) 是由 彭峰 胡润民 林佳杰 丁泽锋 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种开环步进电机驱控一体板卡,包括供电单元、核心控制单元、电机驱控单元、外围驱动单元和通讯单元,核心控制单元分别与电机驱动单元、外围驱动单元和通讯单元连接,电机驱控单元通过接收核心控制单元的驱动信号来驱动和控制步进电机,通讯单元通过核心控制单元与PC端通信,并从PC端获取信号；本发明可满足工业自动化机台不断小型化、精准定位与控制、布线简洁、多轴控制的需求,在大大地节约成本的情况下来增加抗干扰能力。(The invention provides an open-loop stepping motor drive and control integrated board card which comprises a power supply unit, a core control unit, a motor drive and control unit, a peripheral drive unit and a communication unit, wherein the core control unit is respectively connected with the motor drive unit, the peripheral drive unit and the communication unit; the invention can meet the requirements of continuous miniaturization, accurate positioning and control, concise wiring and multi-axis control of an industrial automation machine, and can increase the anti-interference capability under the condition of greatly saving the cost.)
技术领域
本发明涉及步进电机运动控制技术领域，尤其是一种开环步进电机驱控一体板卡。
背景技术
步进电机，专门用于速度和位置精确控制的特种电机，它旋转是以固定的角度(称为步距角)一步一步运行的，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时我们还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达调速的目的。
步进电机是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。随着技术的逐渐成熟与自动化设备的日益小型化，控制卡加驱动器来控制电机的方式已经满足不了小型且安装简单的需求，运动部件越来越多。
市面上步进电机驱动器具有以下缺点：
1、市面上提供的多为分体式的步进驱动器；
2、采用传统的脉冲加方向的控制方式；
3、布线复杂，占用空间大，且抗干扰能力差。
发明内容
为了解决上述的问题，本发明提供了一种开环步进电机驱控一体板卡。
为了实现以上目的，本发明是通过如下技术方案来实现：
一种开环步进电机驱控一体板卡，包括供电单元、核心控制单元、电机驱控单元、外围驱动单元和通讯单元，所述核心控制单元分别与所述电机驱动单元、所述外围驱动单元和所述通讯单元连接，所述电机驱控单元通过接收所述核心控制单元的驱动信号来驱动和控制步进电机，所述通讯单元通过所述核心控制单元与PC端通信，并从PC端获取信号。
进一步的，所述核心控制单元和所述通讯单元均集成于一PCBA板上，其为MCU板；所述供电单元、所述电机驱控单元和外围驱动单元均集成与另一PCBA板上，其为IO板；所述IO板的反面叠加在所述MCU板的正面上，且所述MCU板和所述IO板通过排针、排母进行连接，从而进行信号传输；以叠加的方式连接所述MCU板和所述IO板，减小其水平上的空间，满足工业自动化机台不断小型化的需求。
更进一步的，所述电机驱控单元位于所述IO板的反面，其采用Trinamic公司的TMC2209芯片，所述TMC2209芯片的接口位于所述IO板的正面；TMC2209是一款极其安静的步进驱动器芯片，也可作为SilentStepStick使用，峰值电流为2.8A，持续电流为2A,其自带MicroPley细分插补技术实现256细分输出，确保运行平滑；其提供精准的电机驱动算法，以及运用先进的FOC电机驱动方式，使电机的力矩方向与电机的转动相切，可以保证电机运行过程中的力矩是恒定的，以及是最大的，避免了常用的驱动器出现力矩不够，丢步等问题。
更进一步的，所述通讯单元位于所述MCU板的正面，其包括网口通讯单元、串口通讯单元和CAN通讯单元；对工业控制提供多种可行性方案，减小工业控制过程中的成本。
更进一步的，所述网口通讯单元的通讯协议为UDP协议，以及默认IP地址为：192.168.5.140，端口号为：2017；所述串口通讯单元的默认配置为波特率115200，8位数据位，1位停止位，无校验位。
更进一步的，所述CAN通讯单元包括两个连通的CAN通讯接口，两个所述CAN通讯接口按照CAN协议连接同一总线；需要多个板卡一起使用时，可以将一个CAN通讯接口接到总线上，另一个CAN通讯接口接到下一块的板卡上；使用总线连接方式，简化布线方式，从而大大地减少布线。
更进一步的，所述外围驱动单元位于所述IO板的正面，其包括两个原点限位单元、两个上限位单元、两个下限位单元、两个真空检测单元、两个真空吸单元和两个真空吹单元；所述TMC2209芯片的接口也位于所述IO板的正面，其定义的接口A+、A-、B+、B-分别与步进电机的M1轴、M2轴、M3轴、M4轴连接；其中，两个所述原点限位单元分别连接所述M1轴和所述M2轴，其作用为旋转原点限位；两个所述上限位单元和两个所述下限位单元分别连接所述M3轴和所述M4轴，其作用为上下运动限位；所述真空检测单元作为真空值检测信号输入，并把信号传到所述核心控制单元进行分析；所述真空吸单元和所述真空吹单元作为真空输出，由所述核心控制单元进行判断条件是否符合真空输出，控制外部电磁阀进行动作。
更进一步的，所述供电单元位于所述IO板的正面，所述供电单元包括两个电压为24V的供电接口，两个所述供电接口分别给两个板卡供电；在工业控制多轴电机过程中，所述供电单元可以通过一个所述供电接口给板卡供电，另一个所述供电接口可以给另一块板卡供电，这样可以大大减少机台提供的供电接口和简洁布线方式，在保证24V接入电源的功率足够的情况下，可以扩至N张板卡进行控制，从源头减少布线，简化布线方式，减少占用空间，以及大大地减少研发成本。
更进一步的，所述核心控制单元位于所述MCU板的正面，采用STM公司的STM32芯片；用于整体开环步进电机驱控一体板卡的控制中心，既满足需求，价格又合理。
更进一步的，所述MCU板和所述IO板都为形状尺寸相同的正方形板，其厚度为3毫米，边长为65毫米；连接起来的两个PCBA板小巧，满足工业自动化机台不断小型化的需求。
本发明的有益效果是：与传统的控制方式相比，一体板卡可以节约一个驱动器的安装空间，从走线上以及控制上，可以大大节约成本以及节省空间；
使用特定的运动模式，保证步进电机在运动过程中的力矩稳定且为最大，屏蔽了传统的的控制方式力矩不稳定情况，大大提高电机的定位精度；
核心控制单元的STM32芯片信号直接到电机控制单元的TMC2209芯片中，减少线的连接，增强抗干扰能力。
附图说明
图1所示为本发明实施例的系统总框图；
图2所示为本发明实施例的IO板结构图；
图3所示为本发明实施例的MCU板结构图；
图4所示为本发明实施例的核心控制单元原理图；
图5所示为本发明实施例的电机驱控单元原理图；
图6所示为本发明实施例的外围驱动电路原理图；
图7所示为本发明实施例的外围驱动电路原理图；
图8所示为本发明实施例的网口通讯协议图；
图中：101、TMC2209芯片的接口；102、原点限位单元；103、上限位单元；104、下限位单元；105、真空检测单元；106、真空吸单元；107、真空吹单元；108、供电接口；201、网口通讯单元；202、串口通讯单元；203、CAN通讯单元；204、核心控制单元。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做详细描述：
如图1-8所示，一种开环步进电机驱控一体板卡，包括供电单元、核心控制单元204、电机驱控单元、外围驱动单元和通讯单元，核心控制单元204分别与电机驱动单元、外围驱动单元和通讯单元连接，电机驱控单元通过接收核心控制单元204的驱动信号来驱动和控制步进电机，通讯单元通过核心控制单元204与PC端通信，并从PC端获取信号。
核心控制单元204和通讯单元均集成于一PCBA板上，其为MCU板；供电单元、电机驱控单元和外围驱动单元均集成与另一PCBA板上，其为IO板；IO板的反面叠加在MCU板的正面上，且MCU板和IO板通过排针、排母进行连接，从而进行信号传输；以叠加的方式连接所述MCU板和所述IO板，减小其水平上的空间，满足工业自动化机台不断小型化的需求。
电机驱控单元位于IO板的反面，其采用Trinamic公司的TMC2209芯片，TMC2209芯片的接口101位于IO板的正面；TMC2209是一款极其安静的步进驱动器芯片，也可作为SilentStepStick使用，峰值电流为2.8A，持续电流为2A,其自带MicroPley细分插补技术实现256细分输出，确保运行平滑；其提供精准的电机驱动算法，以及运用先进的FOC电机驱动方式，使电机的力矩方向与电机的转动相切，可以保证电机运行过程中的力矩是恒定的，以及是最大的，避免了常用的驱动器出现力矩不够，丢步等问题。
通讯单元位于MCU板的正面，其包括网口通讯单元201、串口通讯单元202和CAN通讯单元203；对工业控制提供多种可行性方案，减小工业控制过程中的成本。
网口通讯单元201的通讯协议为UDP协议，以及默认IP地址为：192.168.5.140，端口号为：2017；串口通讯单元202的默认配置为波特率115200，8位数据位，1位停止位，无校验位。
CAN通讯单元203包括两个连通的CAN通讯接口，两个CAN通讯接口按照CAN协议连接同一总线；需要多个板卡一起使用时，可以将一个CAN通讯接口接到总线上，另一个CAN通讯接口接到下一块的板卡上；使用总线连接方式，简化布线方式，从而大大地减少布线。
外围驱动单元位于IO板的正面，其包括两个原点限位单元102、两个上限位单元103、两个下限位单元104、两个真空检测单元105、两个真空吸单元106和两个真空吹单元107；TMC2209芯片的接口101也位于IO板的正面，其定义的接口A+、A-、B+、B-分别与步进电机的M1轴、M2轴、M3轴、M4轴连接；其中，两个原点限位单元102分别连接M1轴和M2轴，其作用为旋转原点限位；两个上限位单元103和两个下限位单元104分别连接M3轴和M4轴，其作用为上下运动限位；真空检测单元105作为真空值检测信号输入，并把信号传到核心控制单元204进行分析；真空吸单元106和真空吹单元107作为真空输出，由核心控制单元204进行判断条件是否符合真空输出，控制外部电磁阀进行动作。
供电单元位于IO板的正面，供电单元包括两个电压为24V的供电接口108，两个供电接口108分别给两个板卡供电；在工业控制多轴电机过程中，供电单元可以通过一个供电接口108给板卡供电，另一个供电接口108可以给另一块板卡供电，这样可以大大减少机台提供的供电接口108和简洁布线方式，在保证24V接入电源的功率足够的情况下，可以扩至N张板卡进行控制，从源头减少布线，简化布线方式，减少占用空间，以及大大地减少研发成本。
核心控制单元204位于MCU板的正面，采用STM公司的STM32芯片；用于整体开环步进电机驱控一体板卡的控制中心，既满足需求，价格又合理。
MCU板和IO板都为形状尺寸相同的正方形板，其厚度为3毫米，边长为65毫米；连接起来的两个PCBA板小巧，满足工业自动化机台不断小型化的需求。
本发明的工作原理为：
两路电源供电接口108接24V电源，TMC2209芯片的接口101用来接步进电机的A+、A-、B+、B-相线，两个原点限位单元102用于M1和M2轴，作为旋转原点限位，M3和M4轴单元分别采用上限位单元103、下限位单元104，作为上下运动限位，真空检测单元105作为真空值检测信号输入，并把信号传到核心控制单元204进行分析，真空吸单元106和真空吹单元107作为真空输出，由核心控制单元204进行判断条件是否符合真空输出，控制外部电磁阀进行动作。MCU板的网口通讯单元201可以连接网线与PC端进行通讯，从而进行数据传输；串口通讯单元202通过串口线与PC端进行通讯。
本实施例的开环步进电机驱控一体板卡有下述工作模式：
绝对位置运动模式，板卡提供了两种回零模式，第一种为正限位回零，第二种为负限位回零，通过这两种模式可以对零点进行确定，绝对位置控制利用TMC2209芯片提供实时反馈的微步数进行精准定位功能。
相对运动模式，相对运动模式的情况，电机根据当前位置为零点的进行偏移，最小单位以256*200微步为一圈，通过精确的齿轮比既可以计算出电机的运动距离。
在开环步进电机驱控一体板卡的使用过程中，按照实际使用情况，选择特定的运动模式，从而实现工业控制的小型化以及精准定位控制，并且节约大量成本。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。
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