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

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(dòng)剝線機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、雕刻機(jī)、植毛機(jī)工作臺(tái)等涉及到精確定位的場(chǎng)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(dòng)模塊和控制器模塊組成。驅(qū)動(dòng)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(dòng)的控制信號(hào)，上述控制方法將會(huì)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)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，將控制電路和驅(qū)動(dòng)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 CAN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CAN總線的一體化兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)芯片SLA7033M、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(guò)來(lái)的幀數(shù)據(jù)包后，再把數(shù)據(jù)包發(fā)送給MCU。STM32F103C6是一體化步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的核心，負(fù)責(zé)對(duì)CAN收發(fā)器L9616傳送過(guò)來(lái)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(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)芯片SLA7033M，使SLA7033M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(dòng)信號(hào)，保護(hù)芯片SLA7033M；另外MCU還對(duì)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(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)，起保護(hù)SLA7033M的作用。MCU對(duì)SLA7033M的輸出電流進(jìn)行采樣以及對(duì)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(zhǎng)，工作更加穩(wěn)定。由于MCU輸出的信號(hào)屬于弱的信號(hào)，而SLA70 33M輸出的信號(hào)是大電壓大電流信號(hào)，為了確保MCU正常工作，采用光耦隔離，使控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)分離，同時(shí)控制和驅(qū)動(dòng)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(hào)通過(guò)光耦傳輸。

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(kāi)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(chǎng)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。STM32F103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(hào)線上并上瞬態(tài)抑制二極管，可以起到對(duì)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(kāi)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(dòng)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(dòng)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(dòng)芯片之間的光耦隔離電路，主芯片負(fù)責(zé)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)芯片需要的控制信號(hào)。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(duì)應(yīng)的輸出端也為高電平。使用了光耦隔離，使得驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(hào)放大電路、電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)償電路等組成。INA、Ina、INB、INb為四個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，OUT/a、OUTa、OUT/b、OUTb為四個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(guò)D/A轉(zhuǎn)換后的基準(zhǔn)電壓輸入端，通過(guò)調(diào)整D/A的輸出基準(zhǔn)電壓，即可調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的輸出電流的大小。電阻R11、R12為電流檢測(cè)電阻，當(dāng)主控芯片檢測(cè)到該電阻上的電壓超過(guò)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(guò)最大值，以保護(hù)驅(qū)動(dòng)芯片SLA7033M。

2 CAN中繼器軟件的設(shè)計(jì)

程序開(kāi)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(cè)相應(yīng)的狀態(tài)，當(dāng)對(duì)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(jiǎn)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(wú)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(shí)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(guò)處理生成標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文幀格式，隨后經(jīng)過(guò)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(duì)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(duì)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(hào)ID一致，表明是該設(shè)備的數(shù)據(jù)，即對(duì)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(duì)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(méi)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(guò)預(yù)設(shè)值，假如已經(jīng)超過(guò)預(yù)設(shè)的值，則執(zhí)行超溫處理程序；假如沒(méi)有超溫則往下執(zhí)行。當(dāng)沒(méi)有超溫或者超溫處理程序完成后查詢電流是否超過(guò)預(yù)設(shè)值，假如已經(jīng)超過(guò)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(duì)輸出電流輸出調(diào)整，即對(duì)D/A的輸出值進(jìn)行調(diào)整，使輸出電流減少；若沒(méi)有超過(guò)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(cè)。

3 結(jié)束語(yǔ)
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(dòng)芯片，將控制電路和驅(qū)動(dòng)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(huì)效益和廣泛的推廣價(jià)值。