基于CAN總線的一體化兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計
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)的實時性及靈活性。本文設(shè)計的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,將控制電路和驅(qū)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(fù)擔(dān),提高系統(tǒng)的實時性、可靠性,可以使系統(tǒng)設(shè)計變得更加靈活、方便。
1 CAN中繼器硬件的設(shè)計
1.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計的基于CAN總線的一體化兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)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(qū)動芯片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)送過來的幀數(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)動器的核心,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(dāng)輸出電流大于閾值時,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)行溫度實時監(jiān)控,當(dāng)散熱片上的溫度超過預(yù)設(shè)值時關(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時監(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,同時控制和驅(qū)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(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。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)輸入端為高電平時光耦中的光敏二極管導(dǎo)通,同時光敏三極管也導(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。
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