基于CAN總線的一體化兩相步進電機驅動器的設計

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。