用于多类型步进电机应用场合的节能转换装置

本申请是名为《用于多类型步进电机应用场合的节能转换装置》的专利申请的分案申请，原申请的申请日为2018年05月15日，申请号为201810461666.5。

技术领域

本发明属于步进电机控制技术领域，具体涉及一种用于多类型步进电机应用场合的节能转换装置。

背景技术

目前，步进电机的应用领域越来越广泛，在机械、电子、纺织等行业应用普遍。在采用步进电机驱动的应用场合，绝大多数运动控制卡和步进电机驱动器在电机锁定状态时，普遍采用输出电压恒定的驱动脉冲锁定电机，当整个系统持续工作在锁定状态时，流过步进电机中的电流始终保持恒定，使电机和相关部件产生持续的温升。这种情况下，因电机过热减少了电机的使用寿命甚至会烧毁电机，同时还给驱动回路的安全性带来了系统性风险，对于使用限流电阻的回路更是浪费了大量的电能。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题，从而提供一种用于多类型步进电机应用场合的节能转换装置。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明公开了一种用于多类型步进电机应用场合的节能转换装置，包括：

输入脉冲滤波及电平转换模块，用于接收运动控制卡输出的步进电机驱动脉冲信号，并对步进电机驱动脉冲信号进行电平转换及滤波处理；

光耦隔离脉冲输入模块，与所述输入脉冲滤波及电平转换模块连接；

脉冲检测模块，与所述光耦隔离脉冲输入模块连接，用于根据电平转换和滤波处理后的步进电机驱动脉冲信号监测步进电机的运行状态；所述步进电机处于自由状态或运行状态或锁定状态；

计时参数设置开关，用于接收操作者设置的参数；

状态转换计时模块，分别与所述计时参数设置开关及所述脉冲检测模块连接，用于采集所述计时参数设置开关的参数，产生计时时间，并在所述步进电机由自由状态或运行状态转换为锁定状态时，通过计时器开始计时，在计时器大于或等于所述计时时间时，计时器停止计时；

电流参数设置开关，用于接收操作者设置的参数；

电流大小调节模块，与所述电流参数设置开关连接，用于采集所述电流参数设置开关的参数，产生节能占空比脉冲；

光耦隔离脉冲输出模块；

脉冲转换模块，分别与所述脉冲检测模块、所述状态转换计时模块、所述电流大小调节模块及所述光耦隔离脉冲输出模块连接，用于在计时器小于所述计时时间时，向所述光耦隔离脉冲输出模块发送上位机输入脉冲，在计时器大于或等于所述计时时间时，向所述光耦隔离脉冲输出模块发送所述节能占空比脉冲，在所述步进电机由锁定状态转换为运行状态时，将所述节能占空比脉冲切换为上位机输入脉冲，并发送至所述光耦隔离脉冲输出模块。

作为本发明较佳的实施例，所述计时时间的范围为2分钟～10分钟。

作为本发明较佳的实施例，所述步进电机的类型为三相或四相或五相步进电机。

作为本发明较佳的实施例，所述节能占空比脉冲的周期小于或等于100μs。

作为本发明较佳的实施例，所述输入脉冲滤波及电平转换模块包括：发光二极管、发光二极管限流电阻、滤波电容及电平转换芯片；

所述发光二极管的正极与所述电平转换芯片的输入脚相连，所述发光二极管的负极分别与所述发光二极管限流电阻的一端及所述滤波电容的一端连接；所述发光二极管限流电阻另一端及所述滤波电容的另一端接地；

当所述步进电机驱动脉冲信号为高电平时，发光二极管点亮，经过电平转换芯片后，所述步进电机驱动脉冲信号变为+3.3V高电平；当所述步进电机驱动脉冲信号为低电平时，发光二极管熄灭，经过电平转换芯片后，所述步进电机驱动脉冲信号变为低电平；所述滤波电容用于滤除高频干扰。

作为本发明较佳的实施例，所述光耦隔离脉冲输入模块包括：光耦、光耦输入限流电阻及光耦输出限流电阻；所述光耦的输入端与所述光耦输入限流电阻连接，所述光耦的输出端与所述光耦输出限流电阻连接。

本发明的用于多类型步进电机应用场合的节能转换装置具有以下优点：步进电机在正常运行时，通过该转换装置直接输出运动控制卡的驱动脉冲，当电机转换为锁定状态后，超过操作者设定的时间后，电机自动转换为节能的锁定状态，同时操作者可以根据实际情况设定合理的锁定电流，既保证了电机的安全锁定、减少了电机的发热量、保护了驱动回路的相关部件，又节省了一部分能源，方案简单、工作可靠，电路改进所需成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的用于的多类型步进电机应用场合的节能转换装置的组成示意图；

图2为本发明提供的步进电机一相的输入脉冲滤波及电平转换电路图；

图3为本发明提供的步进电机一相的光耦隔离脉冲输入电路图；

图4为本发明提供的主控制器电路图；

图5为运动控制卡发出的锁定电机一相的脉冲信号的脉冲示意图；

图6为本发明的步进电机一相的节能占空比的脉冲示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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做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。

如图1所示，本发明公开的用于多类型步进电机应用场合的节能转换装置，包含：一输入脉冲滤波及电平转换模块100、一光耦隔离脉冲输入模块101、一脉冲检测模块102、一脉冲转换模块103、一状态转换计时模块104、一计时参数设置开关S1、一电流大小调节模块105、一电流参数设置开关S2、一光耦隔离脉冲输出模块106。其中，状态转换计时模块104用于采集计时参数设置开关S1的参数，产生计时时间T1。计时时间T1的范围为2分钟～10分钟。

电流大小调节模块105用于采集电流参数设置开关S2的参数，产生节能占空比脉冲，并发送至脉冲转换模块103。

脉冲检测模块102用于监测步进电机的运行状态。步进电机处于自由状态或运行状态或锁定状态。

当步进电机处于自由状态转换为锁定状态或者运行状态转换为锁定状态时，状态转换计时模块104的计时器开始计时，当计时器小于计时时间T1时，脉冲转换模块103输出上位机输入脉冲给光耦隔离脉冲输出模块106，当计时器大于或等于计时时间T1时，计时器停止计时，脉冲转换模块103输出节能占空比脉冲给该光耦隔离脉冲输出模块106。

当步进电机由锁定状态转换为运行状态时，脉冲转换模块103将节能占空比脉冲切换为上位机输入脉冲，并发送至光耦隔离脉冲输出模块106。

步进电机的类型为三相或四相或五相步进电机。

如图2所示为本发明的步进电机一相的输入脉冲滤波及电平转换电路图，主要由发光二极管D1、发光二极管限流电阻R1、滤波电容C1及电平转换芯片U1组成。其工作原理为：发光二极管D1的正极与电平转换芯片U1的输入3脚相连，发光二极管D1的负极分别与发光二极管限流电阻R1的一端和滤波电容C1的一端相连，发光二极管限流电阻R1的另一端及滤波电容C1的另外一端相连接于GND。当运动控制卡输出的步进电机驱动脉冲信号X_PulseA1为高电平时，发光二极管D1点亮，经过电平转换芯片后，步进电机驱动脉冲信号A1变为+3.3V高电平。当步进电机驱动脉冲信号X_PulseA1为低电平时，发光二极管D1熄灭，经过电平转换芯片后，步进电机驱动脉冲信号X_PulseA1变为低电平，滤波电容C1用于滤除高频干扰。步进电机其它相的工作原理相同，这里不再说明。

如图3所示为本发明的步进电机一相的光耦隔离脉冲输入电路图，主要由光耦GO1、光耦输入限流电阻R2及光耦输出限流电阻R3组成。其工作原理为：经过电平转换和滤波后的步进电机驱动脉冲信号X_PulseA1为高电平时，电流流经光耦输入限流电阻R2、光耦GO1输入侧二极管后回到GND端，光耦GO1输入侧导通。同时光耦GO1输出侧导通，电流流经光耦输出限流电阻R3后回到GND1端，得到信号X_PluseA2，信号X_PluseA2由低电平变为高电平。当步进电机驱动脉冲信号X_PluseA1为低电平时，光耦GO1不导通，信号X_PluseA2输出低电平。

如图4所示为本发明主控制器电路图，可以是复杂可编程逻辑器件，也可以是现场可编程门阵列器件。其功能在于实现脉冲检测模块、状态转换计时模块、电流大小调节模块、脉冲转换模块的功能。

信号X_PulseA2输入给图3中的本发明主控制器，实现后续脉冲检测模块102、状态转换计时模块104、电流大小调节模块105、脉冲转换模块103的功能。

转换状态计时模块104依据操作者设置的计时参数开关S1的参数，产生计时时间T1，电流大小调节模块105依据操作者设置的电流参数开关S2的参数，产生节能的占空比脉冲X_PluseA3输出给脉冲转换模块103。

运动控制卡输出的步进电机驱动脉冲信号X_PluseA1输出到本装置的输入脉冲滤波及电平转换模块100，进而通过光耦隔离脉冲输入模块101将滤波后的驱动脉冲信号X_PluseA2输出给脉冲检测模块102，该脉冲检测模块102能够检测出步进电机在运行状态、锁定状态和自由状态之间的切换，并将电机当前状态和接收的驱动脉冲信号X_PluseA2分别输出给状态转换计时模块104和脉冲转换模块103。当步进电机由自由状态或者运行状态转换为锁定状态时，状态转换计时模块104的计时器开始计时，当计时器小于计时时间T1时，脉冲转换模块103输出信号X_PluseA2给光耦隔离脉冲输出模块106，如果脉冲检测模块102检测到电机转换为运行状态，状态转换计时模块104的计时器清零。当计时器大于等于计时时间T1时，计时器停止计时，脉冲转换模块103输出节能占空比脉冲X_PluseA3通过图中X_OUTA管脚输出给光耦隔离脉冲输出模块106，从而达到调整步进电机锁定时步进电机相电流大小的目的。

当步进电机由锁定状态(锁定时间大于T1)转换为运行状态时，脉冲转换模块103将节能占空比脉冲X_PluseA3切换为驱动脉冲信号X_PluseA2通过图中X_OUTA管脚输出给光耦隔离脉冲输出模块106。

假定调节前电机锁定时的最大相电流大小为I，电流大小调节模块的调节范围为：25％I～100％I。

如图5所示，调节前电机处于锁定状态时，运动控制卡发出的锁定电机一相的脉冲信号为一恒定的电压信号，电机在锁定时持续通过恒定的电流。

如图6所示，步进电机处于锁定状态后经过转换输出给电机一相的可调占空比脉冲，为了避免电机在锁定时产生啸叫，此占空比脉冲的周期不大于100us，占空比t/T的最小值为0.25，当t＝T时，占空比的最大值为1，可以看出使用转换后的锁定脉冲信号，在保持电机锁定的同时，减少了驱动回路中元件的发热量，延长了元件的使用寿命。降低了能量的消耗，特别的对于有限流电阻的驱动回路，节能效果更为明显。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。