一種集成CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置

摘要：采用dsPIC30F6010A高性能數(shù)字信號控制器，提出并實(shí)現(xiàn)了一種新型的集成CAN總線接口的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。根據(jù)dsPIC30F6010A芯片外設(shè)模塊的參數(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了PWM驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)相電流測量電路和CAN總線收發(fā)器電路，開發(fā)了基于C語言的模塊化應(yīng)用程序。實(shí)際測試表明，該集成CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置可以直接接入CAN總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制功能。
關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；CAN總線；dsPIC30F6010A；PWM驅(qū)動(dòng)電路；相電流測量電路

步進(jìn)電機(jī)作為一種數(shù)字伺服執(zhí)行元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、定位方便等優(yōu)點(diǎn)，在精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用?？刂破骶钟蚓W(wǎng)CAN總線是德國BOSCH公司為現(xiàn)代汽車電控系統(tǒng)推出的一種多主機(jī)數(shù)據(jù)通訊總線，具有高可靠性和高實(shí)時(shí)性等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車制造和自動(dòng)化控制領(lǐng)域，已成為國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線采用具備CAN通信能力的控制設(shè)備作為智能節(jié)點(diǎn)，不僅極大地降低了控制系統(tǒng)的布線數(shù)量與成本，而且有效地提高了控制信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與靈活性。近年來隨著汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以嵌入式微控制器為核心的具有CAN總線接口的各種電控單元已經(jīng)成為了研究的重點(diǎn)。本文基于dsPIC30F6010A高性能數(shù)字信號控制器，提出并實(shí)現(xiàn)了一種集成CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，為步進(jìn)電機(jī)控制單元的智能化和網(wǎng)絡(luò)化提供了一種高集成度的一體化設(shè)計(jì)方案。

1 集成CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置系統(tǒng)構(gòu)成
本文設(shè)計(jì)的集成CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置如圖1所示，主要由dsPIC30F6010A高性能數(shù)字信號控制器、FAN7384PWM驅(qū)動(dòng)電路、雙H橋功率放大電路、步進(jìn)電機(jī)相電流反饋電路、CAN收發(fā)器和CAN總線端口等6部分構(gòu)成。

dsPIC30F6010A的通用數(shù)字I／O口接收CMD輸入信號，作為步進(jìn)電機(jī)控制的使能信號，該使能信號具有最高的優(yōu)先級，只有當(dāng)該使能信號有效時(shí)，dsPIC30F6010A才會(huì)接受CAN總線的控制指令，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，通過FAN7384驅(qū)動(dòng)電路和雙H橋功率放大電路，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制功能。步進(jìn)電機(jī)相電流反饋電路將電機(jī)相電流信號通過采樣電阻SHUNT1和SHUNT2轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，由dsPIC30F6010A內(nèi)部的高速A／D轉(zhuǎn)換模塊采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)相電流的精確閉環(huán)控制。dsPIC30F6010A內(nèi)嵌的CAN總線模塊通過CAN1RX／CAN1TX管腳與CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊功能。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定有兩個(gè)途徑，一種途徑是由SPD電壓信號經(jīng)dsPIC30F6010A的模擬量輸入接口采樣設(shè)定，另一種途徑可以通過CAN總線通訊方式以數(shù)字量的形式直接設(shè)定。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 數(shù)字信號控制器dsPIC30F6010A
本文采用美國MICROCHIP公司的高性能數(shù)字信號控制器dsPIC30F6010A作為主控芯片。該芯片的內(nèi)核采用改進(jìn)型的哈佛架構(gòu)，工作速度最高可達(dá)30 MIPS，內(nèi)嵌的DSP引擎不僅集成了兩個(gè)具備可選飽和邏輯的40位寬累加器，而且包含了一個(gè)17位乘17位單周期的硬件乘法器，非常適用于高速數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用場合。該芯片內(nèi)部集成了一個(gè)電機(jī)專用的PWM控制模塊，該P(yáng)WM模塊具備4個(gè)占空比發(fā)生器和8個(gè)PWM輸出引腳，分別為PWM1H／PWM1L、PWM2H／PWM2L、PWM3H／PWM3L、PWM4H／PWM4L，這8個(gè)PWM輸出引腳可組合為4組互補(bǔ)輸出的PWM引腳對，能夠滿足多種類型的電機(jī)控制應(yīng)用要求。
dsPIC30F6010A芯片的外設(shè)非常豐富，不僅集成了高達(dá)16通道的高速10位A／D轉(zhuǎn)換模塊，而且還集成了2個(gè)2．0B標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線模塊，只需外接CAN收發(fā)器，就可以勝任集成CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的硬件設(shè)計(jì)要求。
dsPIC30F6010A芯片的高速A／D轉(zhuǎn)換模塊具有4路采樣保持器，可同時(shí)對4路模擬量電壓信號進(jìn)行采樣，最高采樣速率可達(dá)1 MHz。本設(shè)計(jì)充分發(fā)揮這一硬件優(yōu)勢，將步進(jìn)電機(jī)相電流反饋電路和直流母線電壓監(jiān)視電路的電壓信號接入A／D轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)了主控芯片對電機(jī)相電流信號和直流母線電壓信號的同時(shí)采樣功能，有效地提高了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的控制精度和響應(yīng)速度。
dsPIC30F6010A芯片內(nèi)嵌的CAN總線模塊實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的CAN控制器系統(tǒng)，該CAN模塊具備2個(gè)可區(qū)分優(yōu)先級的接收報(bào)文存儲緩沖器和3個(gè)可指定優(yōu)先級的發(fā)送緩沖器，并支持自檢操作的可編程環(huán)回通訊模式，最高波特率可達(dá)1Mbps。本設(shè)計(jì)將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能與CAN總線通訊功能整合為一體化設(shè)計(jì)，集成CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置不再僅是一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，而成為了一個(gè)智能化的電機(jī)控制單元，該控制單元可以直接接入標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，成為CAN總線上的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制功能。
2．2 PVCM驅(qū)動(dòng)與功率放大電路
FAN7384是美國FAIRCHILD半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款單片高壓半橋驅(qū)動(dòng)集成電路，廣泛用于功率MOSFET半橋自舉驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中。本裝置共設(shè)計(jì)了四組結(jié)構(gòu)相同的半橋驅(qū)動(dòng)和功率放大電路，每一組電路都是由一個(gè)FAN7384半橋驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)FDS3992功率MOSFET構(gòu)成。圖2為PWM1H／PWM1L驅(qū)動(dòng)與功率放大電路原理圖，其他三組驅(qū)動(dòng)與功率放大電路與其結(jié)構(gòu)完全相同。

FAN7384具有獨(dú)立的高端輸入(HIN)和低端輸入(LIN)通道。由于HIN／LIN管腳兼容3．3 V和5 V邏輯電平輸入，所以可以直接接收dsPIC30 F60IOA芯片的PWM1H和PWM1L脈沖信號。FAN7384的高端輸出(HO)和低端輸出(LO)通道具備250 mA的驅(qū)動(dòng)能力，可以直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)FDS3992功率MOSFET，二極管D16和電容C40構(gòu)成自舉充電電路，充電電流由電阻R52限定。由FAN7384半橋驅(qū)動(dòng)器和FDS3992功率MOSFET構(gòu)成的PWM驅(qū)動(dòng)與功率放大電路只需單路15V控制電源供電，克服了常規(guī)驅(qū)動(dòng)電路需要多路隔離直流穩(wěn)壓電源供電的缺點(diǎn)，并且具有高端(HO)和低端(LO)欠壓鎖定保護(hù)功能，大大簡化了硬件電路設(shè)計(jì)。
2．3 電機(jī)相電流測量電路
圖1中雙H橋功率放大電路底部的SHUNT1和SHUNT2是電機(jī)兩個(gè)繞組的相電流采樣電阻，SHUNT1和SHUNT2電阻的取值為0．1 Ω。電機(jī)相電流測量電路如圖3所示。

電流檢測電阻SHUNT1上的電壓信號通過R28、R29、R33、R34和C27組成的濾波電路，以差分方式饋至運(yùn)算放大器MCP6024的信號輸入端。M CP6024是軌到軌(Rail-to-Rail)輸入／輸出型運(yùn)算放大器，具有低噪聲、低漂移的優(yōu)良特性，帶寬典型值為10 MHz，完全能夠滿足頻率為40 kHz的PWM驅(qū)動(dòng)方式下的電機(jī)相電流測量電路的要求。MCP6024將IMOTOR1的輸出電壓幅值限定在0 V至5 V的A／D轉(zhuǎn)換模塊采樣電壓范圍內(nèi)，在R28=R29=R33=R34且R27=R35的前提條件下，運(yùn)算放大器MCP6024的增益為：
Gain=(Rshunt1×R27)／(R28+R29) (1)
該測量電路的最大檢測電流數(shù)值為：
IMAX=VREFxGain=2．5xGain (2)
2．4 CAN總線收發(fā)器電路
本設(shè)計(jì)采用MCP2551作為CAN總線收發(fā)器芯片，MCP2551是一個(gè)可容錯(cuò)的高速CAN總線收發(fā)器件，適用于dsPIC30F6010A內(nèi)部的CAN總線模塊與物理總線接口電路設(shè)計(jì)。MCP2551可為CAN總線模塊提供差分收發(fā)能力，該芯片完全符合ISO-11898標(biāo)準(zhǔn)，工作速率高達(dá)1Mbps。CAN總線收發(fā)器電路如圖4所示。

MCP2551的TXD管腳直接接到dsPIC30F6010A的CAN1TX信號輸出端，RXD管腳直接接到dsPIC30F6010A的CAN1RX信號輸入端，CANH和CANL管腳直接接入CAN總線端口，R5為終端匹配電阻。MCP2551可以通過Rs引腳選擇三種操作模式：當(dāng)Rs引腳電壓為0V時(shí)芯片進(jìn)入高速模式；當(dāng)兄引腳引腳電壓為5 V時(shí)芯片進(jìn)入休眠模式；當(dāng)Rs引腳通過外接電阻R6與0 V電壓相連時(shí)則進(jìn)入斜率控制模式。本設(shè)計(jì)將R6阻值設(shè)為0 Ω，MCP2551工作在高速模式下，CAN總線收發(fā)器的輸出驅(qū)動(dòng)具有快速的上升和下降時(shí)間，可以滿足高速CAN總線的通訊速率要求。