一种集成CAN总线的步进电机驱动装置

摘要：采用dsPIC30F6010A高性能数字信号控制器，提出并实现了一种新型的集成CAN总线接口的步进电机驱动装置。根据dsPIC30F6010A芯片外设模块的参数特点，设计了PWM驱动电路、电机相电流测量电路和CAN总线收发器电路，开发了基于C语言的模块化应用程序。实际测试表明，该集成CAN总线的步进电机驱动装置可以直接接入CAN总线网络，实现了对电机运行参数和运行状态的远程控制功能。
关键词：步进电机驱动器；CAN总线；dsPIC30F6010A；PWM驱动电路；相电流测量电路

步进电机作为一种数字伺服执行元件，具有结构简单、运行可靠、定位方便等优点，在精密机械运动控制领域有着广泛的应用。控制器局域网CAN总线是德国BOSCH公司为现代汽车电控系统推出的一种多主机数据通讯总线，具有高可靠性和高实时性等突出优点，广泛应用于汽车制造和自动化控制领域，已成为国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线采用具备CAN通信能力的控制设备作为智能节点，不仅极大地降低了控制系统的布线数量与成本，而且有效地提高了控制信号数据传输的准确性与灵活性。近年来随着汽车网络技术的发展，以嵌入式微控制器为核心的具有CAN总线接口的各种电控单元已经成为了研究的重点。本文基于dsPIC30F6010A高性能数字信号控制器，提出并实现了一种集成CAN总线的步进电机驱动装置，为步进电机控制单元的智能化和网络化提供了一种高集成度的一体化设计方案。

1 集成CAN总线的步进电机驱动装置系统构成
本文设计的集成CAN总线的步进电机驱动装置如图1所示，主要由dsPIC30F6010A高性能数字信号控制器、FAN7384PWM驱动电路、双H桥功率放大电路、步进电机相电流反馈电路、CAN收发器和CAN总线端口等6部分构成。

dsPIC30F6010A的通用数字I／O口接收CMD输入信号，作为步进电机控制的使能信号，该使能信号具有最高的优先级，只有当该使能信号有效时，dsPIC30F6010A才会接受CAN总线的控制指令，产生相应的PWM驱动脉冲，通过FAN7384驱动电路和双H桥功率放大电路，实现步进电机的驱动控制功能。步进电机相电流反馈电路将电机相电流信号通过采样电阻SHUNT1和SHUNT2转换为直流电压信号，由dsPIC30F6010A内部的高速A／D转换模块采样并转换为数字信号，从而实现电机相电流的精确闭环控制。dsPIC30F6010A内嵌的CAN总线模块通过CAN1RX／CAN1TX管脚与CAN收发器实现数据通讯功能。步进电机的转速设定有两个途径，一种途径是由SPD电压信号经dsPIC30F6010A的模拟量输入接口采样设定，另一种途径可以通过CAN总线通讯方式以数字量的形式直接设定。

2 硬件设计
2．1 数字信号控制器dsPIC30F6010A
本文采用美国MICROCHIP公司的高性能数字信号控制器dsPIC30F6010A作为主控芯片。该芯片的内核采用改进型的哈佛架构，工作速度最高可达30 MIPS，内嵌的DSP引擎不仅集成了两个具备可选饱和逻辑的40位宽累加器，而且包含了一个17位乘17位单周期的硬件乘法器，非常适用于高速数据处理的应用场合。该芯片内部集成了一个电机专用的PWM控制模块，该PWM模块具备4个占空比发生器和8个PWM输出引脚，分别为PWM1H／PWM1L、PWM2H／PWM2L、PWM3H／PWM3L、PWM4H／PWM4L，这8个PWM输出引脚可组合为4组互补输出的PWM引脚对，能够满足多种类型的电机控制应用要求。
dsPIC30F6010A芯片的外设非常丰富，不仅集成了高达16通道的高速10位A／D转换模块，而且还集成了2个2．0B标准的CAN总线模块，只需外接CAN收发器，就可以胜任集成CAN总线的步进电机驱动装置的硬件设计要求。
dsPIC30F6010A芯片的高速A／D转换模块具有4路采样保持器，可同时对4路模拟量电压信号进行采样，最高采样速率可达1 MHz。本设计充分发挥这一硬件优势，将步进电机相电流反馈电路和直流母线电压监视电路的电压信号接入A／D转换模块，实现了主控芯片对电机相电流信号和直流母线电压信号的同时采样功能，有效地提高了步进电机驱动装置的控制精度和响应速度。
dsPIC30F6010A芯片内嵌的CAN总线模块实现了一个完整的CAN控制器系统，该CAN模块具备2个可区分优先级的接收报文存储缓冲器和3个可指定优先级的发送缓冲器，并支持自检操作的可编程环回通讯模式，最高波特率可达1Mbps。本设计将步进电机驱动功能与CAN总线通讯功能整合为一体化设计，集成CAN总线的步进电机驱动装置不再仅是一个电机驱动器，而成为了一个智能化的电机控制单元，该控制单元可以直接接入标准的CAN总线网络，成为CAN总线上的一个智能节点，实现了步进电机的网络控制功能。
2．2 PVCM驱动与功率放大电路
FAN7384是美国FAIRCHILD半导体公司生产的一款单片高压半桥驱动集成电路，广泛用于功率MOSFET半桥自举驱动电路设计中。本装置共设计了四组结构相同的半桥驱动和功率放大电路，每一组电路都是由一个FAN7384半桥驱动器和两个FDS3992功率MOSFET构成。图2为PWM1H／PWM1L驱动与功率放大电路原理图，其他三组驱动与功率放大电路与其结构完全相同。