基于CAN總線的一體化步進電機驅動器的設計和實現

0 引言

當前，步進電機已經在工業應用，如自動剝線機、工業機器人、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由驅動模塊和控制器模塊組成。驅動模塊實現功率放大，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，減少系統中主控核心的負擔，提高系統的實時性、可靠性，可以使系統設計變得更加靈活、方便。

1 CAN中繼器硬件的設計

1.1 系統的硬件結構

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框圖如圖1所示，包括CAN收發器L9616、MCU STM32F103C6、光耦隔離、驅動芯片SLA7033M、溫度傳感器和D/A轉換。CAN收發器L9616接收主控核心發送過來的幀數據包后，再把數據包發送給MCU。STM32F103C6是一體化步進電機驅動器的核心，負責對CAN收發器L9616傳送過來的數據包進行解析，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控，有效地保護了SLA7033M，使SLA7033M工作的壽命更加長，工作更加穩定。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FIFO，可以降低采用外置CAN控制器的成本以及提高系統的穩定性。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CAN數據收發、A/D轉換、D/A轉換、PWM輸出等。

1.3 CAN收發電路

CAN收發器采用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。用開關穩壓集成芯片LM2596代替傳統的三段穩壓器，僅需要極少的外圍器件即可構成高效的穩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，提高了系統的抗干擾能力和穩定性。

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，主程序只需循環檢測相應的狀態，當對應的狀態滿足要求時執行相應的操作，使得程序簡潔以及實時性更強。當程序出現異常情況時，異常處理程序檢查相應的異常情況，判斷是哪些情況出現異常，記錄相應的情況，同時可以把異常情況打包成數據發送到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據包的標志位，假如有數據包，則數據包處理程序對數據包進行分析，并進行相應的操作。數據包處理程序具有識別是發送數據包還是接收到的數據包，如果是發送數據包，則把相應的數據包經過處理生成標準報文幀格式，隨后經過CAN收發器發送幀數據給主控核心；如果接收到的數據包則要對該數據包進行解析，按照標準報文幀格式進行提取相應的數據，以及對相應的數據進行處理，假如收到的數據里的ID和該設備號ID一致，表明是該設備的數據，即對該設備進行操作；反之，表明不是該設備的數據，則對收到的數據不處理，同時推出數據包處理程序。主程序假如沒有數據包處理或者數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，則執行超溫處理程序；假如沒有超溫則往下執行。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，程序進行循環檢測。

3 結束語

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，減少系統中主控核心的負擔，提高系統的實時性、可靠性，有一定的社會效益和廣泛的推廣價值。

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