韓冬林

（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津 300350）

一種集成CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置

韓冬林

（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津 300350）

采用dsPIC30F6010A高性能數(shù)字信號(hào)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(cè)量電路和CAN總線收發(fā)器電路，開(kāi)發(fā)了基于C語(yǔ)言的模塊化應(yīng)用程序。實(shí)際測(cè)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(duì)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制功能。

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(cè)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(jiǎn)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[1]?？刂破骶钟蚓W(wǎng)CAN總線是德國(guó)BOSCH公司為現(xiàn)代汽車(chē)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(chē)制造和自動(dòng)化控制領(lǐng)域[2]，已成為國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)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(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與靈活性。近年來(lái)隨著汽車(chē)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)[3]。本文基于dsPIC30F6010A高性能數(shù)字信號(hào)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(hào)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(hào)，作為步進(jìn)電機(jī)控制的使能信號(hào)，該使能信號(hào)具有最高的優(yōu)先級(jí)，只有當(dāng)該使能信號(hào)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(guò)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(hào)通過(guò)采樣電阻SHUNT1和SHUNT2轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，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(hào)，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(guò)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(hào)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(guò)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(hào)控制器dsPIC30F6010A

圖1 集成CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置系統(tǒng)框圖Fig.1 Integrated CANBUS stepping motor driver system block diagram

本文采用美國(guó)MICROCHIP公司的高性能數(shù)字信號(hào)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(chǎng)合。該芯片內(nèi)部集成了一個(gè)電機(jī)專(zhuān)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(duì)，能夠滿足多種類(lèi)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(duì)4路模擬量電壓信號(hào)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(shì)，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(hào)接入A/D轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)了主控芯片對(duì)電機(jī)相電流信號(hào)和直流母線電壓信號(hào)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(jí)的接收?qǐng)?bào)文存儲(chǔ)緩沖器和3個(gè)可指定優(yōu)先級(jí)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 PWM驅(qū)動(dòng)與功率放大電路

FAN7384是美國(guó)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[4]。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。

圖2 PWM驅(qū)動(dòng)與功率放大電路原理圖Fig.2 PWM driver and power amplifier schematic

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dsPIC30F6010A芯片的PWM1H和PWM1L脈沖信號(hào)。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(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)。

2.3 電機(jī)相電流測(cè)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(cè)量電路如圖3所示。

圖3 電機(jī)相電流測(cè)量電路原理圖Fig.3 Motor phase current measurement schematic

電流檢測(cè)電阻 SHUNT1上的電壓信號(hào)通過(guò) 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(hào)輸入端。MCP6024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40kHz的PWM驅(qū)動(dòng)方式下的電機(jī)相電流測(cè)量電路的要求[5]。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：

該測(cè)量電路的最大檢測(cè)電流數(shù)值為：

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。

圖4 CAN總線收發(fā)器電路原理圖Fig.4 CANBUS transceiver schematic

MCP2551的TXD管腳直接接到dsPIC30F6010A的CAN1TX信號(hào)輸出端，RXD管腳直接接到dsPIC30F6010A的CAN1RX信號(hào)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(guò)Rs引腳選擇三種操作模式：當(dāng)Rs引腳電壓為0 V時(shí)芯片進(jìn)入高速模式；當(dāng)Rs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(guò)外接電阻R6與0 V電壓相連時(shí)則進(jìn)入斜率控制模式[6]。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。

3 軟件設(shè)計(jì)

本集成CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的軟件采用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，應(yīng)用程序包括初始化模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、PWM驅(qū)動(dòng)脈沖模塊、電機(jī)相電流測(cè)量模塊、CAN總線通訊模塊。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC30F6010A上電復(fù)位后首先調(diào)用初始化模塊，完成控制器通用I/O口的設(shè)置、內(nèi)部高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、電機(jī)專(zhuān)用PWM控制器和CAN總線控制器的初始化任務(wù)，然后進(jìn)入主循環(huán)程序。在主循環(huán)程序中第一步先調(diào)用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，讀入圖1中SPD電壓信號(hào)并轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)；第二步調(diào)用CAN總線通訊模塊，接收上位節(jié)點(diǎn)的控制命令，并產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)；第三步先檢查電機(jī)使能信號(hào)CMD，如果該信號(hào)為有效則使能PWM驅(qū)動(dòng)脈沖模塊以產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)PWM1H/PWM1L～PWM4H/PWM4L，否則就禁止 PWM[7]驅(qū)動(dòng)脈沖模塊；第四步調(diào)用電機(jī)相電流測(cè)量模塊，dsPIC30F6010A內(nèi)部的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀入圖1中IMOTOR1和IMOTOR2電壓信號(hào)并轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)相電流數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)相電流的精確閉環(huán)控制。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文提出的集成CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)方案，分別設(shè)計(jì)了dsPIC30F6010A主控通訊電路板和PWM驅(qū)動(dòng)放大電路板。該裝置的最高驅(qū)動(dòng)電壓為80 V，適用于多種類(lèi)型的步進(jìn)電機(jī)和控制軟件算法，PWM驅(qū)動(dòng)脈沖的工作頻率設(shè)計(jì)為40 kHz，以實(shí)現(xiàn)盡可能短的反應(yīng)時(shí)間。集成的CAN總線接口實(shí)現(xiàn)了2.0B標(biāo)準(zhǔn)CAN協(xié)議報(bào)文的收發(fā)功能，完成了與上位計(jì)算機(jī)的通訊任務(wù)。實(shí)現(xiàn)的集成CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置及其通訊波形如圖6所示，圖6（a）和圖6（b）分別是實(shí)驗(yàn)電路板及CAN總線通訊波形。

圖6 集成CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置及其通訊波形Fig.6 Integrated CANBUS stepping motor driver and commu nication waveform

5 結(jié) 論

基于dsPIC30F6010A高性能數(shù)字信號(hào)控制器，本文提出的集成CAN總線的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)了CAN總線通訊電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路一體化設(shè)計(jì)，具有系統(tǒng)集成度高和編程靈活的特點(diǎn)，不僅可對(duì)多種類(lèi)型步進(jìn)電機(jī)的相電流實(shí)現(xiàn)精確閉環(huán)控制，而且以嵌入式微控制器技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)了從獨(dú)立的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器到具有CAN總線通訊能力的智能控制單元的技術(shù)升級(jí)。嵌入式CAN總線接口技術(shù)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)是當(dāng)前汽車(chē)電子和自動(dòng)化控制領(lǐng)域里的共性技術(shù)，具有CAN總線接口的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置可以直接接入分布式CAN總線網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)動(dòng)裝置成為了CAN總線中的智能節(jié)點(diǎn)，可實(shí)時(shí)接收上位節(jié)點(diǎn)的控制指令，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制。

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An integrated CANBUS stepping motor driver

HAN Dong-lin
（Tianjin Sino-German Vocational Technical College， Tianjin 300350， China）

this paper discussed and realized a kind of integrated CANBUS stepping motor driver utilizing dsPIC30F6010A high performance digital signal controller.According to parameter characteristics of peripheral modules in dsPIC30F6010A，it is carried out PWM driver circuit， motor phase current measurement circuit and CANBUS transceiver circuit， developed modular application programs based on C language.The practical test showed that the integrated CANBUS stepping motor driver can access CAN network directly，and realized remote control functions of the motor running parameters and status.

stepping motor driver； CANBUS； dsPIC30F6010A； PWM driver circuit； phase current measuring circuit

TM383.6

A

1674－6236（2013）08-0105-04

2012-11-29稿件編號(hào)201211249

韓冬林（1966—），男，天津人，副教授。研究方向：傳感器與電控技術(shù)。