專利名稱：一種兩相步進電機驅動電路及電機故障檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種步進電機，尤其是涉及一種兩相步進電機驅動電路及電機故障檢測方法。
背景技術：
步進電機作為執行元件，廣泛應用在各種自動化控制系統中，步進電機由于其自身特點，一旦在運行過程中發生負載突然變化、共振等情況，就會導致嚴重丟步甚至出現堵轉的現象，發生這樣的情況需要步進電機馬上停止運行，以免產生更為嚴重的后果。結合步進電機自身運行特點及從成本方面考慮，步進電機通常采用開環控制的方 式，導致出現上述問題時無法實時的檢測。加入編碼器或位置傳感器等組成的反饋回路，雖然可以實現實時故障檢測，但編碼器或位置傳感器安裝復雜且成本較高，并不是一種理想的解決方案。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種不需外接編碼器或位置傳感器、成本較低的兩相步進電機驅動電路及故障檢測方法。本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為一種兩相步進電機驅動電路，其特征在于包括FPGA控制電路、與步進電機相連的驅動器和檢測電路，檢測電路與步進電機連接，檢測電路與FPGA控制電路連接，驅動器與FPGA控制電路連接，檢測電路對步進電機繞組電流頻率進行檢測，檢測到的信號反饋給FPGA控制電路，FPGA控制電路判斷步進電機是否發生運行故障。FPGA控制電路包括串口通信模塊、步進電機驅動控制模塊、預置頻率模塊和步進電機故障判斷模塊，串口通信模塊與步進電機驅動控制模塊連接，步進電機驅動控制模塊與預置頻率模塊連接，預置頻率模塊與步進電機故障判斷模塊連接，步進電機故障判斷模塊與串口通信模塊連接，步進電機驅動控制模塊與驅動器連接，步進電機故障判斷模塊與檢測電路連接。FPGA控制電路包括型號為EP2C5T144的第一芯片及外圍電路，驅動器包括型號為A3977的第二芯片及外圍電路，第一芯片與第二芯片相互連接，第二芯片的OUTlA引腳與步進電機一相繞組的一端連接，第二芯片的OUTlB引腳通過第一采樣電阻與步進電機一相繞組的另一端連接，第二芯片的0UT2A引腳與步進電機二相繞組的一端連接，第二芯片的0UT2B引腳通過第二采樣電阻與步進電機二相繞組的另一端連接。所述的檢測電路包括第一運算放大器和第二運算放大器，步進電機一相繞組與第一采樣電阻之間的連接點通過第一電阻與第一運算放大器的正極輸入端連接，第二芯片的OUTlB引腳與第一采樣電阻之間的連接點通過第二電阻與第一運算放大器的負極輸入端連接，第一運算放大器的正極輸入端通過第三電阻接地，第一運算放大器的負極輸入端與第一運算放大器的輸出端之間設置有第四電阻，第一運算放大器的輸出端通過第五電阻與第二運算放大器的負極輸入端連接，第二運算放大器的正極輸入端通過第六電阻接地，第二運算放大器的負極輸入端通過電容接地，第二運算放大器的正極輸入端與第二運算放大器的輸出端之間設置有第七電阻，第二運算放大器的輸出端通過二極管與第一芯片的UO引腳連接，二極管的負極通過第八電阻接地。5. 一種兩相步進電機故障檢測方法，其特征在于包括如下步驟
A :測算步進電機運轉時繞組電流的頻率；
步驟A包括如下具體步驟A1 :檢測電路采樣步進電機繞組電流并將電流轉化為電壓；并對轉換后的電壓進行濾波和整形，形成矩形脈沖；
A2 :FPGA控制電路中的步進電機故障判斷模塊對形成的矩形脈沖的頻率進行測算；
B :根據測得的繞組電流頻率與預置頻率相比較，輸出步進電機是否故障的檢測結果； BI :設定基于A3977的兩相步進電機的驅動器的電流細分模式；
B2 :根據設定的電流細分模式計算預置頻率；
B3 :測得的繞組電流頻率與預置頻率相比較，將比較得到的差值與預設的閾值相比較，若比較得到的差值大于預設的閾值，則輸出步進電機故障的檢測結果，若比較得到的差值小于預設的閾值，則輸出步進電機正確的檢測結果。BI步驟中的電流細分模式取1、1/2、1/4或1/8。預置頻率由如下公式得到/ =丄《
4 _p s
其中，/表示預置頻率，/7表示電流細分模式，fstep為步進脈沖頻率。與現有技術相比，本發明所述的兩相步進電機驅動電路結構簡單、控制靈活，采用細分電流的方式驅動步進電機，提高了步進電機的運轉精度；結合所述的步進電機故障檢測方法可以在沒有使用編碼器和位置傳感器的情況下，通過對步進電機繞組電流頻率的測算，再通過與預置頻率的比較，就可以判斷步進電機運行是否發生故障，可以在開環控制情況下對步進電機進行實時故障檢測，電路實現簡單，成本低。
圖I為本發明的總體結構框 圖2為本發明的FPGA控制電路的結構框 圖3為本發明的FPGA控制電路、驅動器與步進電機的連接 圖4為本發明的檢測電路的原理圖。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。一種兩相步進電機驅動電路，包括FPGA控制電路I、與步進電機2相連的驅動器3和檢測電路4，檢測電路4與步進電機2連接，檢測電路4與FPGA控制電路I連接，驅動器3與FPGA控制電路I連接，檢測電路4對步進電機2繞組電流頻率進行檢測，檢測到的信號反饋給FPGA控制電路1，FPGA控制電路I判斷步進電機2是否發生運行故障。FPGA控制電路I包括串口通信模塊5、步進電機驅動控制模塊6、預置頻率模塊7和步進電機故障判斷模塊8，串口通信模塊5與步進電機驅動控制模塊6連接，步進電機驅動控制模塊6與預置頻率模塊7連接，預置頻率模塊7與步進電機故障判斷模塊8連接，步進電機故障判斷模塊8與串口通信模塊5連接，步進電機驅動控制模塊6與驅動器3連接，步進電機故障判斷模塊6與檢測電路4連接。FPGA控制電路I包括型號為EP2C5T144的第一芯片及外圍電路，驅動器3包括型號為A3977的第二芯片及外圍電路，第一芯片與第二芯片相互連接，第二芯片的OUTlA引腳與步進電機2 —相繞組的一端連接，第二芯片的OUTlB引腳通過第一采樣電阻Rsl與步進電機2 —相繞組的另一端連接，第二芯片的0UT2A引腳與步進電機2 二相繞組的一端連接，第二芯片的0UT2B引腳通過第二采樣電阻Rs2與步進電機2 二相繞組的另一端連接。檢測電路4包括第一運算放大器Ul和第二運算放大器U2，步進電機2 —相繞組 與第一采樣電阻Rsl之間的連接點通過第一電阻Rl與第一運算放大器Ul的正極輸入端連接，第二芯片的OUTlB引腳與第一采樣電阻Rsl之間的連接點通過第二電阻R2與第一運算放大器Ul的負極輸入端連接，第一運算放大器Ul的正極輸入端通過第三電阻R3接地，第一運算放大器Ul的負極輸入端與第一運算放大器Ul的輸出端之間設置有第四電阻R4，第一運算放大器Ul的輸出端通過第五電阻R5與第二運算放大器U2的負極輸入端連接，第二運算放大器U2的正極輸入端通過第六電阻R6接地，第二運算放大器U2的負極輸入端通過電容C接地，第二運算放大器U2的正極輸入端與第二運算放大器U2的輸出端之間設置有第七電阻R7，第二運算放大器U2的輸出端通過二極管Dl與第一芯片的UO引腳連接，二極管Dl的負極通過第八電阻R8接地。一種兩相步進電機故障檢測方法，其特征在于包括如下步驟
A :測算步進電機運轉時繞組電流的頻率；
步驟A包括如下具體步驟:A1 :檢測電路4采樣步進電機2繞組電流并將電流轉化為電壓；并對轉換后的電壓進行濾波和整形，形成矩形脈沖；
A2 =FPGA控制電路I中的步進電機故障判斷模塊8對形成的矩形脈沖的頻率進行測
算；
B :根據測得的繞組電流頻率與預置頻率相比較，輸出電機是否故障的檢測結果；
BI :設定基于A3977的兩相步進電機的驅動器3的電流細分模式；
B2 :根據設定的電流細分模式計算預置頻率；
B3:測得的繞組電流頻率與預置頻率相比較，將比較得到的差值與預設的閾值相比較，若比較得到的差值大于預設的閾值，則輸出步進電機故障的檢測結果，若比較得到的差值小于預設的閾值，則輸出步進電機正確的檢測結果。BI步驟中的電流細分模式取I、1/2、1/4或1/8。預置頻率由如下公式得到f1fS
其中，/表示預置頻率，/7表示電流細分模式，fstep為步進脈沖頻率。如圖I所示，基于FPGA的核心控制電路通過串口通信與外部微處理器進行數據交換，接收指令和數據，并相應的輸出控制信號給基于A3977的兩相步進電機驅動器，同時檢測電路4的輸出作為基于FPGA的核心控制電路的輸入，由FPGA核心控制電路判斷步進電機是否發生運行故障。本發明的基于FPGA的核心控制電路如圖2中所示，所述的FPGA型號為EP2C5T144，包括串口通信模塊5、步進電機驅動控制模塊6、步進電機故障判斷模塊8。串口通信模塊中的接收電路用于接收外部微處理器指令，包括基于A3977的兩相步進電機驅動器的電流細分模式、驅動器使能、步進電機的轉動方向、步進電機的步進頻率等，同時，通過發送電路將步進電機的故障信號上傳給外部微處理器。步進電機驅動控制模塊6根據接收的指令輸出控制信號給基于A3977的兩相步進電機驅動器3，包括電流細分模式控制信號MS2、MS1，驅動器使能控制信號EN，步進電機轉動方向控制信號DIR，步進電機的步進頻率控制信號STEP。步進電機故障判斷模塊8根據檢測電路4的反饋信號Uo的頻率與預置頻率相比較，當比較得到的差值不在預設的閾值之內時，輸出步進電機故障的檢測結果。基于A3977的兩相步進電機驅動器如圖3所示，基于A3977的兩相步進電機驅動器根據基于FPGA的核心控制電路的控制信號相應的驅動步進電機，其中，0UT1A、OUTlB接兩相步進電機的一相繞組，并在繞組中串聯了一個O. 22歐姆的采樣電阻Rsl ;0UT2A、0UT2B接步進電機的另一相繞組，并在繞組中串聯了一個O. 22歐姆的采樣電阻Rs2。FPGA輸出的控制信號EN用于使能基于A3977的兩相步進電機驅動器，FPGA輸出的控制信號DIR用于設定步進電機轉動方向，FPGA輸出的控制信號STEP為步進電機的步進頻率，FPGA輸出的控 制信號MS2、MS1用于設定所述的基于A3977的兩相步進電機驅動器的電流細分模式(MS2、MSl從0(Tll分別對應電流細分模式I、1/2、1/4和1/8)。本發明中所述的檢測電路如圖4所示，以其中的一相繞組為例，0UT1A、0UT1B為基于A3977的兩相步進電機驅動器的輸出，其直接連接步進電機的一相繞組，檢測電路在上述一相繞組中串聯了一個O. 22歐姆的采樣電阻Rsl，運算放大器Ul及電阻Rp R2, R3和R4對采樣電阻Rsl上的電壓進行差分放大，將步進電機的繞組電流轉化為電壓；&和(構成了
低通濾波器，截止頻率為;運算放大器U2及電阻R6、R7構成了滯回過零比較器將
/S
濾波后的電壓整形成矩形脈沖，二極管D1和R8用于將比較器輸出的交流矩形脈沖信號進行整流，最終的輸出信號Uo反饋給基于FPGA的核心控制電路。
權利要求
1.一種兩相步進電機驅動電路，其特征在于包括FPGA控制電路、與步進電機相連的驅動器和檢測電路，檢測電路與步進電機連接，檢測電路與FPGA控制電路連接，驅動器與FPGA控制電路連接，檢測電路對步進電機繞組電流頻率進行檢測，檢測到的信號反饋給FPGA控制電路，FPGA控制電路判斷步進電機是否發生運行故障。
2.根據權利要求I所述的一種兩相步進電機驅動電路，其特征在于FPGA控制電路包括串口通信模塊、步進電機驅動控制模塊、預置頻率模塊和步進電機故障判斷模塊，串口通信模塊與步進電機驅動控制模塊連接，步進電機驅動控制模塊與預置頻率模塊連接，預置頻率模塊與步進電機故障判斷模塊連接，步進電機故障判斷模塊與串口通信模塊連接，步進電機驅動控制模塊與驅動器連接，步進電機故障判斷模塊與檢測電路連接。
3.根據權利要求2所述的一種兩相步進電機驅動電路，其特征在于FPGA控制電路包括型號為EP2C5T144的第一芯片及外圍電路，驅動器包括型號為A3977的第二芯片及外圍電路，第一芯片與第二芯片相互連接，第二芯片的OUTlA引腳與步進電機一相繞組的一端連接，第二芯片的OUTlB引腳通過第一采樣電阻與步進電機一相繞組的另一端連接，第二芯片的0UT2A引腳與步進電機二相繞組的一端連接，第二芯片的0UT2B引腳通過第二采樣電阻與步進電機二相繞組的另一端連接。
4.根據權利要求3所述的一種兩相步進電機驅動電路，其特征在于所述的檢測電路包括第一運算放大器和第二運算放大器，步進電機一相繞組與第一采樣電阻之間的連接點通過第一電阻與第一運算放大器的正極輸入端連接，第二芯片的OUTlB引腳與第一采樣電阻之間的連接點通過第二電阻與第一運算放大器的負極輸入端連接，第一運算放大器的正極輸入端通過第三電阻接地，第一運算放大器的負極輸入端與第一運算放大器的輸出端之間設置有第四電阻，第一運算放大器的輸出端通過第五電阻與第二運算放大器的負極輸入端連接，第二運算放大器的正極輸入端通過第六電阻接地，第二運算放大器的負極輸入端通過電容接地，第二運算放大器的正極輸入端與第二運算放大器的輸出端之間設置有第七電阻，第二運算放大器的輸出端通過二極管與第一芯片的UO引腳連接，二極管的負極通過第八電阻接地。
5.一種兩相步進電機故障檢測方法，其特征在于包括如下步驟 A :測算步進電機運轉時繞組電流的頻率； 步驟A包括如下具體步驟:A1 :檢測電路采樣步進電機繞組電流并將電流轉化為電壓；并對轉換后的電壓進行濾波和整形，形成矩形脈沖； A2 :FPGA控制電路中的步進電機故障判斷模塊對形成的矩形脈沖的頻率進行測算； B :根據測得的繞組電流頻率與預置頻率相比較，輸出步進電機是否故障的檢測結果； BI :設定基于A3977的兩相步進電機的驅動器的電流細分模式； B2 :根據設定的電流細分模式計算預置頻率； B3:測得的繞組電流頻率與預置頻率相比較，將比較得到的差值與預設的閾值相比較，若比較得到的差值大于預設的閾值，則輸出步進電機故障的檢測結果，若比較得到的差值小于預設的閾值，則輸出步進電機正確的檢測結果。
6.根據權利要求5所述的一種兩相步進電機故障檢測方法，其特征在于BI步驟中的電流細分模式取I、1/2、1/4或1/8。
7.根據權利要求6所述的一種兩相步進電機故障檢測方法，其特征在于預置頻率由如下公式得到f=1/4pf 其中，/表示預置頻率，/7表示電流細分模式，/;_為步進脈沖頻率。
全文摘要
本發明公開了一種兩相步進電機驅動電路及電機故障檢測方法，包括FPGA控制電路、與步進電機相連的驅動器和檢測電路，檢測電路與步進電機連接，檢測電路與FPGA控制電路連接，驅動器與FPGA控制電路連接，檢測電路對步進電機繞組電流頻率進行檢測，檢測到的信號反饋給FPGA控制電路，FPGA控制電路判斷步進電機是否發生運行故障，其優點是在沒有使用編碼器和位置傳感器的情況下，通過對步進電機繞組電流頻率的測算，再通過與預置頻率的比較，就可以判斷步進電機運行是否發生故障，可以在開環控制情況下對步進電機進行實時故障檢測，電路簡單，成本低。
文檔編號H02P8/34GK102891644SQ20121037779
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月8日 優先權日2012年10月8日
發明者李宏, 胡文龍, 陳煒鋼, 閻偉 申請人:寧波大學