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          基于CAN總線的一體化步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

          作者: 時(shí)間:2017-06-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          0 引言
          當(dāng)前,步進(jìn)電機(jī)已經(jīng)在工業(yè)應(yīng)用,如自動剝線機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、雕刻機(jī)、植毛機(jī)工作臺等涉及到精確定位的場合,得到廣泛的應(yīng)用。常用的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)由驅(qū)動模塊和控制器模塊組成。驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)功率放大,控制器模塊用于產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)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(shí)時(shí)性及靈活性。本文設(shè)計(jì)的,將控制電路和驅(qū)動模電路集成在同一個(gè)模塊上,減少系統(tǒng)中主控核心的負(fù)擔(dān),提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性,可以使系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加靈活、方便。

          1 中繼器硬件的設(shè)計(jì)

          1.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

          本文設(shè)計(jì)的基于總線的一體化兩相系統(tǒng)框圖如圖1所示,包括收發(fā)器L9616、MCU C6、光耦隔離、驅(qū)動芯片、溫度傳感器和D/A轉(zhuǎn)換。CAN收發(fā)器L9616接收主控核心發(fā)送過來的幀數(shù)據(jù)包后,再把數(shù)據(jù)包發(fā)送給MCU。C6是一體化的核心,負(fù)責(zé)對CAN收發(fā)器L9616傳送過來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析,同時(shí)做出相應(yīng)的操作,生成對應(yīng)的驅(qū)動信號和轉(zhuǎn)動方向;另一面MCU控制高精度D/A轉(zhuǎn)換器,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出的電壓送給驅(qū)動芯片,使輸出電流恒定,同時(shí)在SLA7033M的輸出端加入采樣電阻,MCU實(shí)時(shí)監(jiān)控SLA7033M的輸出電流,當(dāng)輸出電流大于閾值時(shí),關(guān)閉驅(qū)動信號,保護(hù)芯片SLA7033M;另外MCU還對加在芯片SLA7033M上面的散熱器進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控,當(dāng)散熱片上的溫度超過預(yù)設(shè)值時(shí)關(guān)閉驅(qū)動信號,起保護(hù)SLA7033M的作用。MCU對SLA7033M的輸出電流進(jìn)行采樣以及對溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控,有效地保護(hù)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(qū)動信號分離,同時(shí)控制和驅(qū)動兩部分的電路采用獨(dú)立的電源供電,它們之間互不干擾,信號通過光耦傳輸。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/350605.htm


          1.2 STM32F105微控制器
          STM32F105是基于最新ARM V7.0內(nèi)核Cortex-M3的32位閃存微控制器,這是一款專為嵌入式應(yīng)用而開發(fā)的內(nèi)核,帶有用于電機(jī)控制的PWM輸出,特別適合在電機(jī)控制場合的應(yīng)用。STM32F10內(nèi)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。具有較大容量的FLASH和RAM,以及豐富的外設(shè),因此采用STM32F103作為主控芯片可以方便地實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)收發(fā)、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)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(shí)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(hù)作用。光電隔離部分采用最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)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(dú)產(chǎn)生的5V電壓。


          1.4 電源電路
          步進(jìn)電機(jī)采用5V供電。用開關(guān)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(gòu)成高效的穩(wěn)壓電路且不需加散熱片。LM2576產(chǎn)生的5V電壓供給電機(jī)驅(qū)動芯片,主控CPU工作所需的3.3V電壓由LDO芯片LM1117-3.3產(chǎn)生。CAN收發(fā)電路單獨(dú)供電的DC/DC電路采用隔離電源模塊,使驅(qū)動器和和CAN總線接口實(shí)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(qū)動芯片之間的光耦隔離電路,主芯片負(fù)責(zé)產(chǎn)生驅(qū)動芯片需要的控制信號。當(dāng)輸入端為高電平時(shí)光耦中的光敏二極管導(dǎo)通,同時(shí)光敏三極管也導(dǎo)通,使對應(yīng)的輸出端也為高電平。使用了光耦隔離,使得驅(qū)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(qū)動電路

          SLA7033M是高性能步進(jìn)電機(jī)集成功率放大器,該芯片由參考電壓電路、觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路、電壓比較放大電路、電流控制電路、激勵(lì)信號放大電路、電動勢補(bǔ)償電路等組成。INA、Ina、INB、INb為四個(gè)驅(qū)動信號輸入端,OUT/a、OUTa、OUT/b、OUTb為四個(gè)驅(qū)動信號輸出端,在輸出端接二相步進(jìn)電機(jī)作為負(fù)載。VREF為經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后的基準(zhǔn)電壓輸入端,通過調(diào)整D/A的輸出基準(zhǔn)電壓,即可調(diào)整驅(qū)動器的輸出電流的大小。電阻R11、R12為電流檢測電阻,當(dāng)主控芯片檢測到該電阻上的電壓超過閾值時(shí),重新調(diào)整輸出的電流大小,使輸出電流不能超過最大值,以保護(hù)驅(qū)動芯片SLA7033M。



          2 CAN中繼器軟件的設(shè)計(jì)

          程序開始時(shí)先初始化各個(gè)輸出端口以及各個(gè)相關(guān)的外設(shè)模塊。程序以模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì),主程序只需循環(huán)檢測相應(yīng)的狀態(tài),當(dāng)對應(yīng)的狀態(tài)滿足要求時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的操作,使得程序簡潔以及實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。當(dāng)程序出現(xiàn)異常情況時(shí),異常處理程序檢查相應(yīng)的異常情況,判斷是哪些情況出現(xiàn)異常,記錄相應(yīng)的情況,同時(shí)可以把異常情況打包成數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線,方便主控核心進(jìn)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(jù)包的標(biāo)志位,假如有數(shù)據(jù)包,則數(shù)據(jù)包處理程序?qū)?shù)據(jù)包進(jìn)行分析,并進(jìn)行相應(yīng)的操作。數(shù)據(jù)包處理程序具有識別是發(fā)送數(shù)據(jù)包還是接收到的數(shù)據(jù)包,如果是發(fā)送數(shù)據(jù)包,則把相應(yīng)的數(shù)據(jù)包經(jīng)過處理生成標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文幀格式,隨后經(jīng)過CAN收發(fā)器發(fā)送幀數(shù)據(jù)給主控核心;如果接收到的數(shù)據(jù)包則要對該數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析,按照標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文幀格式進(jìn)行提取相應(yīng)的數(shù)據(jù),以及對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,假如收到的數(shù)據(jù)里的ID和該設(shè)備號ID一致,表明是該設(shè)備的數(shù)據(jù),即對該設(shè)備進(jìn)行操作;反之,表明不是該設(shè)備的數(shù)據(jù),則對收到的數(shù)據(jù)不處理,同時(shí)推出數(shù)據(jù)包處理程序。主程序假如沒有數(shù)據(jù)包處理或者數(shù)據(jù)包處理程序完成則檢查溫度是否超過預(yù)設(shè)值,假如已經(jīng)超過預(yù)設(shè)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(dāng)沒有超溫或者超溫處理程序完成后查詢電流是否超過預(yù)設(shè)值,假如已經(jīng)超過了輸出電流的預(yù)設(shè)值則執(zhí)行調(diào)整輸出電流程序,對輸出電流輸出調(diào)整,即對D/A的輸出值進(jìn)行調(diào)整,使輸出電流減少;若沒有超過輸出電流的預(yù)設(shè)值則返回檢查異常情況,程序進(jìn)行循環(huán)檢測。



          3 結(jié)束語
          文采用了以高性能的ARM處理器STMF103為一體化步進(jìn)電機(jī)主控CPU,SLA7033M作為驅(qū)動芯片,將控制電路和驅(qū)動模電路集成在同一個(gè)模塊上,減少系統(tǒng)中主控核心的負(fù)擔(dān),提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性,有一定的社會效益和廣泛的推廣價(jià)值。



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