一种CAN总线控制的闭环步进电机驱动器论文和设计-苏阳

全文摘要

本实用新型涉及涉及电机驱动器，提供一种CAN总线控制的闭环步进电机驱动器，包括电源模块、运算控制模块、电机驱动模块、传感器驱动模块以及CAN总线驱动模块；本实用新型设置有运算控制模块，控制方便，也更便于衍生功能；采用了成熟的电机驱动芯片，驱动稳定，电路结构简单，且驱动电流大，效率高，设置了CAN总线模块，可通过CAN总线控制驱动器，并且支持CAN总线组网级联。并且支持通过CAN总线进行系统配置，便于测试。

主设计要求

1.一种CAN总线控制的闭环步进电机驱动器，其特征在于，包括：电源模块，为运算控制模块、电机驱动模块、传感器驱动模块和CAN总线电路模块供电；运算控制模块，通过CAN总线驱动模块等待接收总线上由上位机下发的指令的信号，根据指令内容读取传感器驱动模块的数据，控制电机驱动模块做出相应操作，并将反馈信息通过CAN总线控制模块经CAN总线回复给上位机；电机驱动模块，接收运算控制模块的指令，并根据指令控制连接在外部接口的步进电机；传感器驱动模块，驱动连接在外部接口的传感器，将传感器数据转换电平后，发送给运算控制模块，以及CAN总线驱动模块，接收CAN总线上的指令和数据转发给运算控制模块，并将运算控制模块输出的指令和数据发送到CAN总线上。

设计方案

1.一种CAN总线控制的闭环步进电机驱动器，其特征在于，包括：

电源模块，为运算控制模块、电机驱动模块、传感器驱动模块和CAN总线电路模块供电；

运算控制模块，通过CAN总线驱动模块等待接收总线上由上位机下发的指令的信号，根据指令内容读取传感器驱动模块的数据，控制电机驱动模块做出相应操作，并将反馈信息通过CAN总线控制模块经CAN总线回复给上位机；

电机驱动模块，接收运算控制模块的指令，并根据指令控制连接在外部接口的步进电机；

传感器驱动模块，驱动连接在外部接口的传感器，将传感器数据转换电平后，发送给运算控制模块，以及

CAN总线驱动模块，接收CAN总线上的指令和数据转发给运算控制模块，并将运算控制模块输出的指令和数据发送到CAN总线上。

2.如权利要求1所述的CAN总线控制的闭环步进电机驱动器，其特征在于：所述电源模块采用24V和3.3V电源供电。

3.如权利要求1所述的CAN总线控制的闭环步进电机驱动器，其特征在于：所述运算控制模块包括ARM处理器和EEPROM存储器，所述EEPROM存储器与ARM处理器通过I2C接口进行通信，包括SCL、SDA和WC信号。

4.如权利要求1所述的CAN总线控制的闭环步进电机驱动器，其特征在于：所述电机驱动模块包括驱动芯片L6472，并在驱动芯片L6472的VBOOT脚与输入电源之间外接充电泵电路。

5.如权利要求4所述的CAN总线控制的闭环步进电机驱动器，其特征在于：所述充电泵电路由双电容和双二极管组成。

6.如权利要求1所述的CAN总线控制的闭环步进电机驱动器，其特征在于：所述传感器驱动模块驱动连接在外部接口的为光耦传感器或编码器。

7.如权利要求1所述的CAN总线控制的闭环步进电机驱动器，其特征在于，所述传感器驱动模块包括：选通芯片MAX4734和异或门芯片SN74LVC1G86DCKR。

8.如权利要求1所述的CAN总线控制的闭环步进电机驱动器，其特征在于：所述CAN总线驱动模块将CAN总线上的差分信号与运算控制模块上的CMOS信号相互转换。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及电机驱动器，具体涉及一种CAN总线控制的闭环步进电机驱动器。

背景技术

步进电机被广泛运用于智能制造、工业自动化、医疗仪器及设备等领域，步进电动机的控制方式一般分为开环控制与闭环控制两种方式，其中开环控制步进电机最简单的控制方式，闭环控制是指作为被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系，步进电动机的闭环控制是采用位置反馈和(或)速度反馈来确定与转子位置相适应的相位转换，可大大改进步进电动机的性能。

STM32F373C8T6是STMicroelectronics出品的一款32位微控制器，拥有72MHz的主频、64kB的Flash、16kB的RAM空间、36个可配置IO口，支持包括CAN、I2C、SPI、 USART、USB等多种通讯接口。同时相比其他同类产品，有更优秀的编程环境。考虑到驱动器稳定性、小型化和成本控制的因素，选择LQFP-48封装的控制器芯片。

M24C08是STMicroelectronics出品的一款电可擦除可编程只读存储器，拥有8Kbit 的存储空间和I2C标准接口。相比其他同类产品有更优秀的稳定性，选择TSSOP-8封装减小电路板占用空间。

L6472是STMicroelectronics出品的一款步进电机驱动芯片，可在8～45V电压下工作，提供3A的稳定输出电流，最大可提供步进16细分。采用SPI接口与处理器通讯。相比于同类驱动芯片，L6472有操作简单、控制指令简便、电机控制稳定等优势。考虑到散热提升芯片散热能力，选取POWERSO36封装的芯片。

MAX4734是Maxim Integrated出品的一款多路复用开关芯片，可提供4路模拟信号选择功能。该芯片相比同类产品优势于在选通时，电阻仅为0.8欧姆，同时开关时间仅为25ns(开启)、20ns(关闭)。通过逻辑接口控制，操作简便。

SN74LVC1G86DCKR是Texas Instruments公司出品的一款异或逻辑门电路芯片，可将2路输入信号进行异或运算后输出。该芯片优势在于仅5ns的传输延迟，且封装小、成本低廉，适合用于电路板空间有限且成本控制要求较高的设计中。

SN65HVD230DR是Texas Instruments公司出品的一款CAN接口集成电路芯片，可提供1Mb\/s的CAN总线通讯速率。拥有成本低，稳定性好的优势。

现有的步进电机驱动器多数不能直接接收通讯总线的控制指令，需要外接处理器进行控制，需要更复杂的控制电路；且大多数为开环控制，如需更精确的闭环控制，则需外加编码器控制电路。增加电路模块使整体更加复杂，不仅增大了控制器体积，同时降低了可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有步进电机驱动器的不足，适应现实需要，提供一种 CAN总线控制的闭环步进电机驱动器。

为了实现本实用新型的目的，本实用新型所采用的技术方案为：

一种CAN总线控制的闭环步进电机驱动器，包括：

电源模块，为运算控制模块、电机驱动模块、传感器驱动模块和CAN总线电路模块供电；

电机驱动模块，接收运算控制模块的指令，并根据指令控制连接在外部接口的步进电机；

传感器驱动模块，驱动连接在外部接口的传感器，将传感器数据转换电平后，发送给运算控制模块，以及

CAN总线驱动模块，接收CAN总线上的指令和数据转发给运算控制模块，并将运算控制模块输出的指令和数据发送到CAN总线上。

优选地：所述电源模块采用24V和3.3V电源供电。

优选地：所述运算控制模块包括ARM处理器和EEPROM存储器，所述EEPROM存储器与ARM处理器通过I2C接口进行通信，包括SCL、SDA和WC信号。

优选地：所述电机驱动模块包括驱动芯片L6472，并在驱动芯片L6472的VBOOT脚与输入电源之间外接充电泵电路。

优选地：所述充电泵电路由双电容和双二极管组成。

优选地：所述传感器驱动模块驱动连接在外部接口的为光耦传感器或编码器。

优选地，所述传感器驱动模块包括：选通芯片MAX4734和异或门芯片。SN74LVC1G86DCKR。

优选地：所述CAN总线驱动模块将CAN总线上的差分信号与运算控制模块上的CMOS信号相互转换。

本实用新型相对于现有技术所带来的有益效果：

本实用新型设置有运算控制模块，控制方便，也更便于衍生功能；采用了成熟的电机驱动芯片，驱动稳定，电路结构简单，且驱动电流大，效率高；设置了CAN总线模块，可通过CAN总线控制驱动器，并且支持CAN总线组网级联。并且支持通过CAN总线进行系统配置，便于测试；设置了4个独立的传感器驱动模块。可至多添加4个传感器，传感器模块可配置为接收NPN或PNP型传感器。其中2个传感器模块可外接编码器，实现带编码器的电机闭环控制；设置了模块化电源，使电源设置更加灵活；使用充电泵电路，可以较为简单的选通电机驱动芯片内部的高位MOS管，而传感器电路中，选通芯片可实现4路传感器接口中任意一路传感器信号作为HOME位传感器信号，输出给电机驱动芯片，电机驱动器会将该传感器所在位置定为0位，电机其他运动位置将以HOME位置为参考，移动相应距离，增加异或门芯片可让本设计通过软件控制，即可实现传感器输出的同向或反向的选择功能，以兼容常见的常开和常闭两种传感器。

附图说明

图1为电机驱动器原理示意图；

图2为运算控制模块的电路图；

图3为为电机驱动模块电路图；

图4为传感器驱动模块电路图；

图5为CAN总线驱动模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图1-5和实施例对本实用新型进一步说明：

为了解决现有技术中电机驱动器存在的问题，本实用新型提供的技术方案为CAN总线控制的闭环步进电机驱动器，包括：

电源模块，为运算控制模块、电机驱动模块、传感器驱动模块、编码器驱动模块和CAN总线电路模块供电；

运算控制模块，运算控制模块作用是整个系统的协调和控制；

电机驱动模块，电机驱动模块的作用是接收运算控制模块的指令，并根据指令控制连接在外部接口的步进电机；

传感器驱动模块，传感器驱动模块的作用是驱动连接在外部接口的传感器(光耦传感器或编码器)，将传感器数据转换电平后，发送给运算控制模块；

CAN总线电路模块，CAN总线驱动模块作用是接收CAN总线上的指令和数据转发给运算控制模块，并将运算控制模块输出的指令和数据发送到CAN总线上。

驱动器设置有NPN型传感器接口及编码器接口；

如图1所示，驱动器上电后，运算控制模块的ARM处理器首先从EEPROM存储器中读取存储的相关配置。之后根据配置分别初始化CAN总线驱动模块、传感器驱动模块和电机驱动模块。初始化完成后运算控制模块进入待命状态，同时通过CAN总线驱动模块等待接收总线上由上位机下发的指令。所接受的指令包括：加速度设置指令、最大速度设置指令、最小速度设置指令、保持电流设置指令、运行电流设置指令、过载电流设置指令、细分设置指令、控制器故障码读取指令、传感器状态读取指令、传感器事件触发时间设置指令、传感器事件读取指令、传感器事件清除指令、HOME传感器设定指令、查看控制器状态指令、软停机指令、硬停机指令、软释放指令、硬释放指令、运行至 HOME闭合指令、运行至HOME释放指令、连续运行指令、绝对位置运行指令、相对位置运行指令、保存参数指令和重启模块指令。当运算控制模块接收到相应指令之后，根据指令内容读取传感器驱动模块的数据，控制电机驱动模块做出相应操作，并将反馈信息通过CAN总线电路模块经CAN总线回复给上位机。完成一次操作后，运算控制器将进入待命状态，等待总线上下一次指令。

各模块的原理和相关电路如下：

电源模块分别采用24V、3V供电，c；较为具体的，电机驱动模块和传感器驱动模块采用24V电源供电；运算控制模块、电机驱动模块、传感器驱动模块和CAN总线电路模块采用3.3V电源供电；

运算控制模块包括：ARM处理器U1、EEPROM存储器U2、晶振Y1、电阻R1～R5、电容C1～C11；

当电源启动后，ARM处理器U1首先从EEPROM存储器U2读取存储的相关设置和参数；读取完毕后，ARM处理器U1将对其他模块进行初始化工作；初始化完成后，将进入待机状态；等待由CAN总线驱动电路转发来的上位机发送的控制指令后，根据指令内容，执行相关操作；EEPROM存储器U2：M24C08与ARM处理器U1通过I2C接口进行通信，其中通信接口线包括SCL、SDA和WC信号，SCL信号为时钟信号，SDA信号为双向数据信号，两个信号组成标准I2C总线信号；WC信号为写入保护信号，用于在非写入状态时，保护EEPROM中的数据不丢失。

如图2所示为运算控制模块的电路图，其中，ARM处理器U1的第10、11、12、13、 14、28、29、30号引脚接传感器驱动模块，ARM处理器U1的15、16、18、19、20、21、 26、27号引脚接电机驱动模块，ARM处理器U1的32、33号引脚接CAN总线驱动模块。 ARM处理器U1的41、42、43号引脚接EEPROM存储器U2。ARM处理器U1的5号引脚接晶振Y1，同时接电容C2，电容C2的另一端接地。ARM处理器U1的6号引脚接晶振Y1 的另一端，同时接电容C3，电容C3的另一端接地。ARM处理器U1的7号引脚接电阻 R4和电容C4，电阻R4的另一端接电源3.3V，电容C4的另一端接地。ARM处理器U1的 44号引脚接电阻R5，电阻R5的另一端接地。ARM处理器U1的47、8、23号引脚接地。 ARM处理器U1的1号引脚接电源3.3V，同时接电容C10，电容C10的另一端接地。ARM 处理器U1的48、17、24、9、25号引脚接3.3V电源，同时接电容C6、C7、C8、C9、C11，电容C6、C7、C8、C9、C11的另一端接地。

电机驱动模块包括电机驱动芯片U7、二极管D6、电阻R14、R15、R16、W4、电容 C24～C33；

当电源启动后，U7：L6472芯片的VSA和VSB电源引脚获得通过滤波电容后的VS：24V电源。同时，VDD电源引脚通过滤波电容的VDD：3.3V电源。芯片启动。

为了能够启动芯片内部的高位MOS管，U7：L6472芯片需要在VBOOT脚上输入一个高于24V的电压。该电压需要外接充电泵电路产生。充电泵电路由电容C24、C27和双二极管D6：BAV99组成。其中，BAV99双二极管可视为2个二极管：1和2的组合。上电后L6472芯片的CP引脚会产生一个660K～800KHZ方波信号VCP。当该信号为低时， D6：BAV99的3号引脚上的电压为VS-V二极管1,即24V-0.3V。而VBOOT引脚的电压为 VS-V二极管1-V二极管2,即24V-0.3V-0.3V。而当CP引脚信号为高时，D6：BAV99的 3号引脚上的电压为VS+VDD-V二极管1,即24V+3.3V-0.3V，而VBOOT引脚的电压为VS+VDD-V二极管1-V二极管2,即24V+3.3V-0.3V-0.3V，输出了高于24V的电压，实现了充电泵功能。双二极管与双电容电路结构简单、成本低廉、可靠性高、占用电路板空间少，是本设计较为理想的选择。

U7：L6472芯片的SW接口接通传感器驱动电路输出的传感器信号接口。U7：L6472芯片通过SPI接口和其他控制信号与运算控制模块连接。SPI接口有CS、CK、SDI、SDO 信号。控制信号有STCK、RST、FLAG、BUSY信号。U7：L6472芯片通过OUT1A、OUT2A、 OUT1B、OUT2B引脚与电机接口连接。电机连接在电机接口上。

当L6472芯片通过SPI接口接收到运算控制模块的指令后，控制芯片内部的MOS管，分别将电机接口的4组连接线与电源或地导通，控制电机运行。运行过程中及结束后，将运行的反馈情况通过SPI接口反馈给运算控制模块。

其中如图3所示为电机驱动模块电路图，电机驱动芯片U7的24号引脚连接电容C25和C26同时接电源3.3V。电容C25和C26的另一端接地。电机驱动芯片U7的9号引脚连接电阻W4。电阻W4另一端接电源3.3V。电机驱动芯片U7的14号引脚连接电容 C24和二极管D6的2号引脚，电容C24另一端、二极管1号脚接电源24V，二极管3号引脚接电容C27，另一端接芯片13号引脚。电机驱动芯片U7的4、5、33、34、15、16、 22、23号引脚接电源24V，同时接电容C29、C30、C31、C28，电容C29、C30、C31、C28 的另一端接地。电机驱动芯片U7的2、3号脚接电机接口A+，35、36号脚接电机接口 A-，17、18号脚接电机接口B+，20、21号脚接电机接口B-。电机驱动芯片U7的37、 28、12、1、19号引脚接地。电机驱动芯片U7的32、6、31、29、30、26、27、25号引脚分别接运算控制模块。电机驱动芯片U7的7号引脚接电阻R16和电容C33，电阻 R16另一端接传感器驱动模块，电容C33另一端接地。电机驱动芯片U7的8号引脚接电容C32、电阻R14、R15。电容C32和电阻R14的另一端接地，电阻R15的另一端接电源3.3V。

传感器驱动模块包括高速光耦芯片U10、电阻W5、W6、W7、W8、R18、R21、电容 C36、C37；

其中，如图4所示为传感器驱动模块电路图，当电源启动后，连接在接口的最多4组传感器启动，在其信号输出引脚产生一个24V信号。通过4组传感器输出模块的隔离光耦FODM8071R2进行隔离和电平转换3.3V后，输出到运算控制模块的4路输入引脚；同时，该4组信号接入选通芯片U8：MAX4734，其作用是将任意一路传感器设置为电机 HOME位，电机驱动器会将该传感器所在位置定为0位，电机其他运动位置将以HOME位置为参考，移动相应距离。4组信号选通1路后，将信号输出给异或门芯片U9： SN74LVC1G86DCKR。该芯片的作用是可对HOME位传感器的输出信号进行反向操作。因常用传感器有常开和常闭两种，为同时兼任两种传感器，设置该异或门芯片。将选通的一路传感器信号输入该芯片的输入1脚，同时将运算控制器的一路信号输入该芯片的输入 2脚。当运算控制器输出低电平时，HOME位输出与传感器输出电平一致；当运算控制器输出高电平时，HOME位输出与传感器输出电平相反。该HOME位输出信号将直接传送给电机驱动芯片，以决定HOME位置。

当外接NPN型传感器时，W6、W8不连接。当外接PNP型传感器时，W5、W7不连接。所述高速光耦芯片U10的1号引脚连接电阻R18，电阻R18的另一端连接电阻W5和电阻W6，电阻W5另一端连接电源24V，电阻W6另一端连接传感器输入接口。所述高速光耦芯片U10的3号引脚接电阻W7和电阻W8，电阻W7的另一端接传感器输入接口，W8 的另一端接地。所述高速光耦芯片U10的6号引脚接电源3.3V，同时接电容C36，电容 C36的另一端接地。所述高速光耦芯片U10的5号引脚接运算控制模块和电机驱动模块，同时接电阻R21和电容C37，电阻R21的另一端接电源3.3V，电容C37的另一端接地。所述高速光耦芯片U10的4号引脚接地。

CAN总线电路模块包括CAN总线驱动芯片U4型号为SN65HVD230DR、电阻R9、电容C12；

芯片U4上电后，将接收所连接CAN总线上的数据。一旦有数据进入，将该差分信号数据读出，转换为标准CMOS信号，发送给运算控制模块。同时，CAN驱动芯片U4也接收来自运算控制模块的信号。当运算控制模块发出信号后，CAN驱动芯片U4将该信号转为差分信号，并发送到所连接的CAN总线上。

其中，如图5所示为CAN总线驱动模块电路图，CAN总线驱动芯片U4的1号引脚和4号引脚接运算控制模块。CAN总线驱动芯片U4的2号引脚接地，同时接电容C12，电容C12的另一端接电源3.3V。所述CAN总线驱动芯片U4的3号引脚接电源3.3V。所述CAN总线驱动芯片U4的6号引脚和7号引脚接CAN总线接口。CAN总线驱动芯片U4 的8号引脚接电阻R9，电阻R9的另一端接地。

在元器件选型上，在保证性能的基础上，选用小封装芯片及电子器件，以减小电路板面积；同时，选用较为通用、成熟的电路结构，提升设计的可靠性和稳定性。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。但不应以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的范围。

本实用新型的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本实用新型的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本实用新型的精神，都在本实用新型的保护范围内。

设计图

一种CAN总线控制的闭环步进电机驱动器论文和设计

一种CAN总线控制的闭环步进电机驱动器论文和设计-苏阳

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主设计要求

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