基于CAN總線的一體化兩相步進電機驅動器的設計

摘要：設計了一種基于CAN總線接口的一體化步進電機驅動器，并描述了其詳細的軟硬件實現(xiàn)方法。采用高性能的STM32F103作為控制核心，接收CAN總線的控制命令，產生控制時序控制步進電機的運行。測試結果表明，系統(tǒng)具有結構簡單、性能穩(wěn)定等特點。
關鍵詞：CAN總線；步進電機；隔離；STM32F103

0 引言
當前，步進電機已經在工業(yè)應用，如自動剝線機、工業(yè)機器人、雕刻機、植毛機工作臺等涉及到精確定位的場合，得到廣泛的應用。常用的步進電機控制系統(tǒng)由驅動模塊和控制器模塊組成。驅動模塊實現(xiàn)功率放大，控制器模塊用于產生電機轉動的控制信號，上述控制方法將會大量占用控制核心的資源，影響控制系統(tǒng)的實時性及靈活性。本文設計的步進電機驅動器，將控制電路和驅動模電路集成在同一個模塊上，減少系統(tǒng)中主控核心的負擔，提高系統(tǒng)的實時性、可靠性，可以使系統(tǒng)設計變得更加靈活、方便。

1 CAN中繼器硬件的設計
1．1 系統(tǒng)的硬件結構
本文設計的基于CAN總線的一體化兩相步進電機驅動器系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括CAN收發(fā)器L9616、MCU STM32F103C6、光耦隔離、驅動芯片SLA7033M、溫度傳感器和D／A轉換。CAN收發(fā)器L9616接收主控核心發(fā)送過來的幀數(shù)據包后，再把數(shù)據包發(fā)送給MCU。STM32F103C6是一體化步進電機驅動器的核心，負責對CAN收發(fā)器L9616傳送過來的數(shù)據包進行解析，同時做出相應的操作，生成對應的驅動信號和轉動方向；另一面MCU控制高精度D／A轉換器，經D／A轉換輸出的電壓送給驅動芯片SLA7033M，使SLA7033M輸出電流恒定，同時在SLA7033M的輸出端加入采樣電阻，MCU實時監(jiān)控SLA7033M的輸出電流，當輸出電流大于閾值時，關閉驅動信號，保護芯片SLA7033M；另外MCU還對加在芯片SLA7033M上面的散熱器進行溫度實時監(jiān)控，當散熱片上的溫度超過預設值時關閉驅動信號，起保護SLA7033M的作用。MCU對SLA7033M的輸出電流進行采樣以及對溫度實時監(jiān)控，有效地保護了SLA7033M，使SLA7033M工作的壽命更加長，工作更加穩(wěn)定。由于MCU輸出的信號屬于弱的信號，而SLA70 33M輸出的信號是大電壓大電流信號，為了確保MCU正常工作，采用光耦隔離，使控制信號與驅動信號分離，同時控制和驅動兩部分的電路采用獨立的電源供電，它們之間互不干擾，信號通過光耦傳輸。

1．2 STM32F105微控制器
STM32F105是基于最新ARM V7．0內核Cortex-M3的32位閃存微控制器，這是一款專為嵌入式應用而開發(fā)的內核，帶有用于電機控制的PWM輸出，特別適合在電機控制場合的應用。STM32F10內置CAN收發(fā)FIFO，可以降低采用外置CAN控制器的成本以及提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。STM32F103具有較大容量的FLASH和RAM，以及豐富的外設，因此采用STM32F103作為主控芯片可以方便地實現(xiàn)CAN數(shù)據收發(fā)、A／D轉換、D／A轉換、PWM輸出等。
1．3 CAN收發(fā)電路
CAN收發(fā)器采用ST公司的L9616。終端匹配電阻采用跳線的方式供用戶安裝時自行選擇。在差分信號線上并上瞬態(tài)抑制二極管，可以起到對L9616的I／O的保護作用。光電隔離部分采用最高轉換速率可達10Mbit／s的高速光耦6N137，電阻R2、R5起到限流作用。VCC5_1是由DC／DC隔離電源單獨產生的5V電壓。

1．4 電源電路
步進電機采用5V供電。用開關穩(wěn)壓集成芯片LM2596代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三段穩(wěn)壓器，僅需要極少的外圍器件即可構成高效的穩(wěn)壓電路且不需加散熱片。LM2576產生的5V電壓供給電機驅動芯片，主控CPU工作所需的3．3V電壓由LDO芯片LM1117-3．3產生。CAN收發(fā)電路單獨供電的DC／DC電路采用隔離電源模塊，使驅動器和和CAN總線接口實現(xiàn)完全的電氣隔離。

1．5 光電隔離電路
連接在控制芯片與驅動芯片之間的光耦隔離電路，主芯片負責產生驅動芯片需要的控制信號。當輸入端為高電平時光耦中的光敏二極管導通，同時光敏三極管也導通，使對應的輸出端也為高電平。使用了光耦隔離，使得驅動電路的高壓電路與控制電路的低壓電路完全隔離，互不干擾，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。
1．6 SLA7033M驅動電路
SLA7033M是高性能步進電機集成功率放大器，該芯片由參考電壓電路、觸發(fā)脈沖產生電路、電壓比較放大電路、電流控制電路、激勵信號放大電路、電動勢補償電路等組成。INA、Ina、INB、INb為四個驅動信號輸入端，OUT／a、OUTa、OUT／b、OUTb為四個驅動信號輸出端，在輸出端接二相步進電機作為負載。VREF為經過D／A轉換后的基準電壓輸入端，通過調整D／A的輸出基準電壓，即可調整驅動器的輸出電流的大小。電阻R11、R12為電流檢測電阻，當主控芯片檢測到該電阻上的電壓超過閾值時，重新調整輸出的電流大小，使輸出電流不能超過最大值，以保護驅動芯片SLA7033M。

2 CAN中繼器軟件的設計
程序開始時先初始化各個輸出端口以及各個相關的外設模塊。程序以模塊化進行設計，主程序只需循環(huán)檢測相應的狀態(tài)，當對應的狀態(tài)滿足要求時執(zhí)行相應的操作，使得程序簡潔以及實時性更強。當程序出現(xiàn)異常情況時，異常處理程序檢查相應的異常情況，判斷是哪些情況出現(xiàn)異常，記錄相應的情況，同時可以把異常情況打包成數(shù)據發(fā)送到CAN總線，方便主控核心進行異常情況的分析及處理。無異常情況則檢查是否有數(shù)據包的標志位，假如有數(shù)據包，則數(shù)據包處理程序對數(shù)據包進行分析，并進行相應的操作。數(shù)據包處理程序具有識別是發(fā)送數(shù)據包還是接收到的數(shù)據包，如果是發(fā)送數(shù)據包，則把相應的數(shù)據包經過處理生成標準報文幀格式，隨后經過CAN收發(fā)器發(fā)送幀數(shù)據給主控核心；如果接收到的數(shù)據包則要對該數(shù)據包進行解析，按照標準報文幀格式進行提取相應的數(shù)據，以及對相應的數(shù)據進行處理，假如收到的數(shù)據里的ID和該設備號ID一致，表明是該設備的數(shù)據，即對該設備進行操作；反之，表明不是該設備的數(shù)據，則對收到的數(shù)據不處理，同時推出數(shù)據包處理程序。主程序假如沒有數(shù)據包處理或者數(shù)據包處理程序完成則檢查溫度是否超過預設值，假如已經超過預設的值，則執(zhí)行超溫處理程序；假如沒有超溫則往下執(zhí)行。當沒有超溫或者超溫處理程序完成后查詢電流是否超過預設值，假如已經超過了輸出電流的預設值則執(zhí)行調整輸出電流程序，對輸出電流輸出調整，即對D／A的輸出值進行調整，使輸出電流減少；若沒有超過輸出電流的預設值則返回檢查異常情況，程序進行循環(huán)檢測。

3 結束語
本文采用了以高性能的ARM處理器STMF103為一體化步進電機主控CPU，SLA7033M作為驅動芯片，將控制電路和驅動模電路集成在同一個模塊上，減少系統(tǒng)中主控核心的負擔，提高系統(tǒng)的實時性、可靠性，有一定的社會效益和廣泛的推廣價值。