一种用于深海电动云台的两相步进电机驱动控制电路 |
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| 申请号 | CN202110804537.3 | 申请日 | 2021-07-16 | 公开(公告)号 | CN113346807B | 公开(公告)日 | 2023-01-31 |
| 申请人 | 重庆大学; | 发明人 | 张旭; 江禹生; 冉静思; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及深海电动 云 台技术领域，具体公开了一种用于深海电动云台的两相步进 电机 驱动控制 电路 ，包括控制电路、两相步进电机驱动电路、串口通信电路和 位置 反馈电路。所述控制电路设有 单片机 ，所述两相步进电机驱动电路设有电机驱动芯片TMC5160。本电路使用单片机及高性能步进电机驱动芯片TMC5160，可实现对深海电动云台使用的步进电机的最佳控制效果。并且，本发明电路摒弃外部晶振、大容值滤波 电解 电容、光耦隔离器件、光电 编码器 等不耐高 水 压的器件，其采用的 电子 元器件均不受高水压影响或受高水压影响较小，因而对巨大水压具有较高承受能 力 ，可以承受约60Mpa水压，适用于6000M以下水深的深海应用环境。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于深海电动云台的两相步进电机驱动控制电路，其特征在于：包括控制电路、两相步进电机驱动电路、串口通信电路和位置反馈电路； |
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| 说明书全文 | 一种用于深海电动云台的两相步进电机驱动控制电路技术领域[0001] 本发明涉及深海电动云台技术领域，尤其涉及一种用于深海电动云台的两相步进电机驱动控制电路。 背景技术[0002] 深海电动云台是一种可以在一个或者多个自由度上进行角度调整的旋转平台，它可以承载水下摄像头、水下照明灯、小型声呐等观测仪器，通过云台的各个自由度的旋转调整观测仪器的角度，从而达到更好的观测效果。通常载人潜器、遥控无人潜水器、海底摄像系统等深海装备需要安装深海电动云台以更好地完成水下作业任务，因而深海云台是非常重要的深海辅助设备。 [0003] 步进电机是一种将电脉冲转换为角位移的电机，具有低成本和可开环控制的优点，是深海电动云台常用的动力源之一。但为了适应深海高水压的应用环境，主流的深海电动云台采用油压密封技术，步进电机的驱动控制电路板需直接暴露在与外界海水同等压强的内部绝缘油体中，6000M深海电动云台最大工作水深6000M处的海水压强高达60Mpa，常规的两相步进电机驱动电路中的一些电子元器件无法适应如此高的水压。除此之外，在高压油体环境下步进电机转子会产生较大的搅油损耗，与陆地应用相比，同等负载情况下，深海应用中的步进电机所需功率会更高。 [0004] 在非深海的应用上，传统步进电机驱动控制电路通常在控制电路与驱动电路之间采用光耦隔离电路，由于光耦隔离器件不能耐高水压，无法适用于深海环境。步进电机驱动控制电路中的时钟信号均由外部晶振电路提供，但晶振在高水压环境下时钟精度较差。步进电机运行产生的反电动势以及MOSFET开关器件产生的开关噪声对电机电源影响较大，传统步进电机驱动控制电路采用大容值电解电容对电机电源进行滤波和能量的泄放，但电解电容不耐高水压。传统的步进电机驱动采用光电编码器作为位置反馈元件，同样光电编码器也不耐高水压。总而言之，传统使用的两相步进电机驱动控制电路，因采用光耦隔离电路、晶振、电解电容、光电编码器等不耐高水压的器件而无法应用于深海环境。 发明内容[0005] 本发明提供一种用于深海电动云台的两相步进电机驱动控制电路，解决的技术问题在于：如何在深海环境(高水压)下对两相步进电机进行高精度驱动。 [0006] 为解决以上技术问题，本发明提供一种用于深海电动云台的两相步进电机驱动控制电路，包括控制电路、两相步进电机驱动电路、串口通信电路和位置反馈电路； [0007] 所述控制电路设有单片机；所述单片机的USART引脚组连接所述串口通信电路，SPI引脚组连接所述两相步进电机驱动电路，AD输入引脚连接所述位置反馈电路，晶振引脚组浮空； [0009] 所述位置反馈电路设有相连接的霍尔角度传感器与运算放大器，所述运算放大器的输出端连接所述AD输入引脚；所述运算放大器采用两级电压跟随器，两级电压跟随器之间采用电阻分压网络使送入所述AD输入引脚的电压在所述单片机的电压量程范围内。 [0010] 控制电路通过串口通信电路接收来自上位机的控制指令并通过SPI通信接口(SPI引脚组)配置两相步进电机驱动电路，两相步进电机驱动电路根据配置直接驱动深海电动云台的两相步进电机，同时将自身状态通过SPI通信接口反馈给控制电路，进而由控制电路通过串口通信电路反馈给上级控制单元。 [0011] 相比现有技术，该方案具有效果： [0012] 1、对不同型号两相步进电机具有良好的通用性以及很好的驱动控制效果：：采用“单片机+步进电机驱动芯片”的架构实现步进电机驱动和控制的分离，单片机负载控制信号的处理，驱动芯片负载步进电机的驱动，这样优化了本电路对步进电机的驱动和控制效果，并提升了本电路对不同型号步进电机的通用性； [0013] 2、较低的电磁干扰：由于两相步进电机驱动电路会对控制电路产生干扰，传统的步进电机驱动控制电路通常在控制电路与驱动电路之间采用光耦隔离电路，但光耦隔离器件不能耐高水压，所以本电路不采用光耦隔离，而是通过使用高性能步进电机驱动芯片TMC5160使驱动电路产生的干扰控制在可接受的范围以内； [0014] 3、可耐高水压的时钟源：传统的两相步进电机驱动电路中的时钟信号均由外部晶振电路提供，但由于晶振在高水压环境下时钟精度较差，故本电路不采用外部晶振电路而是使用驱动芯片TMC5160的内部时钟； [0015] 4、可耐高水压且效果良好的电机电源滤波：步进电机运行产生的反电动势以及MOSFET开关器件产生的开关噪声对电机电源影响较大，传统两相步进电机驱动电路采用大容值电解电容对电机电源进行滤波和能量的泄放，但电解电容不耐高水压，本电路采取在电机电源处并联蓄能电容(多个小容值陶瓷电容或钽电容)的方式代替； [0016] 5、可耐高水压且具备较高精度的位置反馈电路：传统的步进电机驱动采用编码器作为位置反馈元件，本电路采用霍尔角度传感器代替。霍尔角度传感器输出模拟信号，且电平范围超出单片机的AD采集电压范围，本电路设计了两级电压跟随电路和电阻分压网络组成的信号调理电路，使传感器输出信号电平与单片机的AD采集电平范围匹配，并实现传感器角度检测电路与单片机内部AD采集电路的隔离，避免相互影响，从而提高位置反馈数据的精度，进而提升步进电机的定位控制精度； [0017] 6、TMC5160有三种工作模式，本电路采用的是TMC5160的“运动控制器”模式，即通过单片机给TM5160配置相应的寄存器，TMC5160根据配置的寄存器值使用自身内部运动控制器控制其内置步进电机驱动器从而达到控制两相步进电机的目的。 [0018] 通过上述方案，本电路使用单片机及高性能步进电机驱动芯片TMC5160，可实现对深海电动云台使用的步进电机的最佳控制效果，此外该芯片TMC5160对不同型号、不同参数的步进电机具有广泛的兼容性，扩大了深海电动云台步进电机动力源的选型范围。并且，本发明电路摒弃外部晶振、大容值滤波电解电容、光耦隔离器件、光电编码器等不耐高水压的器件，其采用的电子元器件均不受高水压影响或受高水压影响较小，因而对巨大水压具有较高承受能力，可以承受约60Mpa水压，适用于6000M以下水深的深海应用环境。结合所使用的位置反馈电路可实现深海高水压环境下的步进电机闭环控制，进而实现深海电动云台的水下高精度定位控制。 [0019] 优选的，所述蓄能电容由多个并联且接地的电容组成，其电容值适配两相步进电机的最大工作电流。6000M深海电动云台的两相步进电机驱动控制电路适用电机最大工作电流约3A左右，需并联300uf的大电容，故这里采用多个电容并联组成电机电源滤波电容组，可减小两相步进电机驱动电路对24V供电电源的干扰并增强直流电源供电。 [0020] 优选的，所述电机驱动芯片工作在运动控制器模式，即通过单片机给电机驱动芯片TMC5160配置相应的寄存器，电机驱动芯片TMC5160根据配置的寄存器值使用自身内部运动控制器控制其内置步进电机驱动器从而达到控制两相步进电机的目的。 [0022] 优选的，所述单片机采用STM32系列单片机； [0023] 所述单片机外围电路具体包括： [0024] 连接在所述AD输入引脚、所述运算放大器与地之间的RC滤波电路； [0025] 连接所述单片机的数据烧录引脚组的SWD接口； [0026] 连接在所述单片机的BOOT0引脚与地之间的第一电阻； [0027] 连接在3.3V直流电源、所述单片机的NRST引脚与地之间的RC复位电路； [0028] 连接在所述单片机的每个电源引脚与地之间的多个第一电容； [0029] 连接在3.3V直流电源、所述单片机的PB8引脚、PB9引脚之间的LED指示电路； [0030] 所述单片机的VSS_1引脚、VSS_2引脚、VSS_3引脚及VSSA引脚接地； [0031] 所述单片机的PB12引脚、PB12引脚、PA3引脚、PA2引脚分别连接所述电机驱动芯片的DIAG0_SWN引脚、DIAG1_SWP引脚、REFL_STEP引脚、REFR_DIR引脚； [0032] 所述单片机其余未连接的引脚浮空。 [0033] 基于STM32系列单片机，本方案搭建最简单外围电路，可尽量节省器件，为深海电动云台的两相步进电机驱动控制电路PCB板节约空间。 [0034] 进一步地，所述两相步进电机驱动电路还设有：第一双N沟道MOS管、第二双N沟道MOS管、第三双N沟道MOS管和第四双N沟道MOS管，其中第一双N沟道MOS管与第二双N沟道MOS管连接成B相H桥，第三双N沟道MOS管与第四双N沟道MOS管连接成A相H桥； [0035] 所述电机驱动芯片的HB1引脚、HB2引脚、LB1引脚、LB2引脚、HA1引脚、HA2引脚、LA1引脚、LA2引脚分别串接一个电阻后顺序连接所述第一双N沟道MOS管的G1引脚、G2引脚，第二双N沟道MOS管的G1引脚、G2引脚，第三双N沟道MOS管的G1引脚、G2引脚，第四双N沟道MOS管的G1引脚、G2引脚，以控制8个N沟道MOS管的开关； [0036] 所述电机驱动芯片的CB2引脚、BMB2引脚之间，CH1引脚和BMB1引脚之间，CA2引脚和BMA2引脚之间，CA1引脚和BMA1引脚之间分别串接一个自举电容； [0037] 所述电机驱动芯片的BMB2引脚和BMB1引脚作为B相H桥的桥臂中间节点，分别连接B相输出接口的Bout两端；BMA2引脚和BMA1引脚作为A相H桥的桥臂中间节点，分别连接A相输出接口的Aout两端；Aout两端、Bout两端分别串接一个滤波电容后接地，以降低输出端的开关振铃； [0038] 所述电机驱动芯片的SRAL引脚、SRAH引脚、SRBH引脚、SRBL引脚分别串接第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻，第四电阻和第五电阻分别连接第一电流检测电阻的两端，第一电流检测电阻与第五电阻连接的一端接地，第三电阻和第二电阻分别连接第二电流检测电阻的两端，第二电流检测电阻与第二电阻连接的一端接地； [0039] 第一双N沟道MOS管的两个D1引脚、2个D2引脚共同连接第二电容后接地并与24V直流电源相连，第三双N沟道MOS管的两个D1引脚、2个D2引脚共同连接第三电容后接地并与24V直流电源相连， [0040] 第一双N沟道MOS管的S1引脚、S2引脚分别与第二双N沟道MOS管的两个D1引脚、两个D1引脚连接且分别与Bout两端相连；第三双N沟道MOS管的S1引脚、S2引脚分别与第四双N沟道MOS管的两个D1引脚、两个D1引脚连接且分别与Aout两端相连。 [0041] 电机驱动芯片采用四个双MOS管组成的两个H桥电路并配合电阻、电容，可实现高动态、高扭矩电机驱动。 [0042] 优选的，所述两相步进电机驱动电路还设有： [0043] 分别连接在3.3V直流电源与所述电机驱动芯片的DIAG0_SWN引脚之间、DIAG1_SWP引脚之间、REFL_STEP引脚之间、REFR_DIR引脚之间的第一上拉电阻、第二上拉电阻、第三上拉电阻、第四上拉电阻； [0044] 分别串接在所述电机驱动芯片的VSA引脚与地之间、12VOUT引脚与地之间、5VOUT引脚与地之间、VCC引脚与地之间的第四电容、第五电容、第六电容、第七电容； [0045] 串接在5VOUT引脚与所述第七电容之间的第六电阻； [0046] 串接在所述电机驱动芯片的CPO引脚与CPI引脚之间的第八电容； [0047] 串接在所述电机驱动芯片的VCP引脚与VS引脚之间并与24V直流电源连接的第九电容； [0048] 串接在3.3V直流电源与所述电机驱动芯片的SPI_MODE引脚之间的第七电阻，3.3V直流电源还连接所述电机驱动芯片的VCC_IO引脚； [0049] 串接在所述电机驱动芯片的VCC_IO引脚与地之间的第十电容； [0050] 所述电机驱动芯片的SD_MODE引脚、TST_MODE引脚、两个GNDD引脚、GNDA引脚接地； [0051] 所述电机驱动芯片其余未连接的引脚浮空。 [0052] 通过这些设计，可使电机驱动芯片TMC5160工作在最佳状态下。 [0053] 优选的，所述霍尔角度传感器的引脚1接5V直流电源，引脚2接地，引脚3作为模拟电压输出端连接所述运算放大器的+InA引脚； [0054] 所述电阻分压网络包括连接在所述运算放大器的+InB引脚与地之间的第一分压电阻，和连接在所述运算放大器的+InB引脚与OutA引脚之间的第二分压电阻； [0055] 所述运算放大器的‑InB引脚连接OutB引脚连接所述单片机的AD输入引脚。 [0056] 通过这些设计，可使位置反馈电路工作在最佳状态下。 [0057] 本发明提供的一种用于深海电动云台的两相步进电机驱动控制电路，还包括电源转换电路，所述电源转换电路设有第一级压降电路和第二级压降电路；所述第一级压降电路接入24V直流电源并将24V直流电源降为5V直流电源，所述第二级压降电路将5V直流电源转换为3.3V直流电源，从而所述电源转换电路可输出24V直流电源、5V直流电源和3.3V直流电源为控制电路、两相步进电机驱动电路、串口通信电路和位置反馈电路供电。 [0058] 优选的，所有24V直流电源均连接在一起，所有5V直流电源均连在一起，所有3.3V直流电源均连接在一起，所有地均连在一起，以使电路精简，所有的电容均为非电解电容，以适用高水压环境。附图说明 [0060] 图2是本发明实施例提供的电源转换电路的电路图； [0061] 图3是本发明实施例提供的控制电路的电路图； [0062] 图4是本发明实施例提供的两相步进电机驱动电路的电路图； [0063] 图5是本发明实施例提供的位置反馈电路的电路图； [0064] 图6是本发明实施例提供的串口通信电路的电路图。 具体实施方式[0065] 下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。 [0066] 本发明实施例提供一种用于深海电动云台的两相步进电机驱动控制电路，如图1所示，包括电源转换电路、控制电路、两相步进电机驱动电路、串口通信电路和位置反馈电路。电源转换电路为其他电路供电。控制电路通过串口通信电路接收来自上位机的控制指令并通过SPI通信接口(SPI引脚组)配置两相步进电机驱动电路。两相步进电机驱动电路根据配置直接驱动深海电动云台的两相步进电机，同时将自身状态通过SPI通信接口反馈给控制电路，进而由控制电路通过串口通信电路反馈给上级控制单元。位置反馈电路将获取的角度信息传送至控制电路的AD输入引脚，可实现深海高水压环境下的步进电机闭环控制，进而实现深海电动云台的水下高精度定位控制。 [0067] 如图2所示，电源转换电路的24V直流电源由外部提供，其正极连接一个肖特基二极管D1，提供电源防反接保护，防止电源正负极接反的误操作对电路造成损坏。其采用三端稳压器LM317芯片(U1)及其外围电路组成第一级降压电路，将24V直流电源降为5V直流电源，LM317芯片的电压输出引脚2和引脚4相连后连接由电感L1和电容C3、C4、C5组成的LC滤波网络，其中电容C3、C4、C5容值有大有小，这种大小容值滤波电容的配置，可有效滤除直流输出中的高频和低频交流成分，提高直流电源质量。其采用SPX3819低压差线性稳压芯片(U2)组成第二级降压电路，将5V直流电源转换为3.3V直流电源，并在SPX3819芯片的电压输出引脚5处接小电容C6、大电容C7进行直流电源滤波，同时还接限流电阻R6和发光二极管PR来指示电源工作状态，方便使用人员快速判断电源转换电路的工作状态。 [0068] 具体的，控制电路采用具备AD、SPI、USART功能的任意型号单片机，其USART引脚组连接串口通信电路，SPI引脚组连接两相步进电机驱动电路，AD输入引脚连接位置反馈电路，晶振引脚组浮空。 [0069] 如图3所示，本实施例中单片机采用ST公司的STM32系列单片机，具体型号为STM32F103C8T6(U3)。为尽量节省器件，为深海电动云台的两相步进电机驱动控制电路PCB板节约空间，STM32F103C8T6采用最简外围电路，其中每个电源引脚(VBAT、VDD_1、VDD_2、VDD_3、VDDA)配置1个滤波电容(第一电容)，引脚7(NRST引脚)处的电阻R8和电容C8组成RC复位电路，AD输入接口引脚11处配置由电阻R52和电容C43组成的RC滤波电路，引脚34和引脚37作为SWD接口进行下位机程序的烧录，引脚30和引脚31作为USART接口组连接串口通信电路，引脚45(PB8引脚)和引脚46(PB9引脚)分别接发光二极管D3、D2及其限流电阻R9、R10(LED指示电路)，发光二极管D3、D2可用来指示控制电路的工作状态，引脚14、引脚15、引脚16、引脚17作为SPI通信接口(SPI引脚组)连接两相步进电机驱动电路中的步进电机驱动芯片TMC5160的SPI通信接口，实现单片机与步进电机驱动芯片间的通信和控制。引脚44(BOOT0引脚)连接电阻R7(第一电阻)后接地，引脚8(VSSA引脚)、引脚23(VSS_1引脚)、引脚 35(VSS_2引脚)和引脚47(VSS_3引脚)直接接地，引脚25(PB12引脚)、引脚26(PB13引脚)分别连接电机驱动芯片的DIAG0_SWN引脚、DIAG1_SWP引脚，引脚13(PA3引脚)、引脚12(PA2引脚)分别连接电机驱动芯片的REFL_STEP引脚、REFR_DIR引脚。除此之外，STM32F103C8T6的其他引脚处于浮空状态，包括晶振引脚组OSC_IN引脚和OSC_OUT引脚。 [0070] 在本实施例中，如图4所示，两相步进电机驱动电路设有电机驱动芯片TMC5160(U6)。24V直流电源的正负极之间连接TVS二极管D4并在TVS二极管D4的两端并联蓄能电容后连接电机驱动芯片的VSA引脚。蓄能电容由多个并联且接地的电容组成，其电容值适配两相步进电机的最大工作电流。因为，步进电机在工作时会对供电直流电源产生较大干扰，为减小这种干扰并增强直流电源供电，在两相步进电机驱动电路的24V直流电源输入端正负极之间需接TVS二极管D4且并联大容值电容以蓄能，6000M深海电动云台的两相步进电机驱动控制电路适用电机最大工作电流约3A左右，需并联300uf的大电容，本实施例采用C39、C40、C41、C42、C43、C44、C45、C46并联组成电机电源滤波电容组。 [0071] 更多的，如图4所示，本实施例两相步进电机驱动电路中使用的高性能步进电机驱动芯片TMC5160，该芯片具备SPI通信接口，且内置速度斜坡发生器和业界最先进的步进电机驱动器，通过外置MOSFET管，可实现高动态、高扭矩电机驱动。TMC5160有三种工作模式，本例电路采用的是TMC5160的“运动控制器”模式，即通过STM3F103C8T6单片机给TM5160配置相应的寄存器，TMC5160根据配置的寄存器值使用自身内部运动控制器控制其内置步进电机驱动器从而达到控制两相步进电机的目的。具体的，TMC5160的引脚21(SD_MODE引脚)接地保持低电平，引脚22(SPI_MODE引脚)接电阻R45(第七电阻)后接3.3V直流电源保持高电平，以此配置TMC5160工作在“运动控制器”模式下 [0072] 更多的，U6的引脚13、引脚14、引脚15和引脚16为SPI通信接口与控制电路中的STM32F103C8T6的SPI通信接口相连，U6引脚26(DIAG0_SWN引脚)、引脚27(DIAG1_SWP引脚)、引脚17(REFL_STEP引脚)、引脚18(REFR_DIR引脚)分别接R39(第一上拉电阻)、R40(第二上拉电阻)、R36(第三上拉电阻)、R37(第四上拉电阻)后与控制电路中STM32F103C8T6对应引脚相连，可由单片机向TMC5160提供左右限位信号，并接收来自TMC5160的驱动器错误诊断信号。U6引脚4(VSA引脚)、引脚3(12VOUT引脚)、引脚5(5VOUT引脚)和引脚29(VCC引脚)分别串接电容C32(第四电容)、C33(第五电容)、C34(第六电容)、C35(第七电容)后接地。引脚5(5VOUT引脚)和C35(第七电容)之间串接电阻R35(第六电阻)，U6的引脚33(VS引脚)与引脚4(VSA引脚)连接且与引脚34(VCP引脚)之间串接电容C21(第九电容)，引脚31(CPO引脚)和引脚32(CPI引脚)之间串接电荷泵电容C20(第八电容)，VCC_IO引脚连接3.3V直流电源并且与地之间串接有C36(第十电容)。 [0073] 两相步进电机驱动电路还设有：第一双N沟道MOS管M1、第二双N沟道MOS管M2、第三双N沟道MOS管M3和第四双N沟道MOS管M4，其中第一双N沟道MOS管M1与第二双N沟道MOS管M2连接成B相H桥，第三双N沟道MOS管M3与第四双N沟道MOS管M4连接成A相H桥。 [0074] 电机驱动芯片的HB1引脚、HB2引脚、LB1引脚、LB2引脚、HA1引脚、HA2引脚、LA1引脚、LA2引脚分别串接一个电阻(R21、R28、R30、R29、R27、R20、R23、R22)后顺序连接第一双N沟道MOS管M1的G1引脚、G2引脚，第二双N沟道MOS管M2的G1引脚、G2引脚，第三双N沟道MOS管M3的G1引脚、G2引脚，第四双N沟道MOS管M4的G1引脚、G2引脚，即连接8个N沟道MOS管的栅极，以控制8个N沟道MOS管的开关。 [0075] 电机驱动芯片的CB2引脚、BMB2引脚之间，CH1引脚和BMB1引脚之间，CA2引脚和BMA2引脚之间，CA1引脚和BMA1引脚之间分别串接一个自举电容(C24、C25、C28和C29)。 [0076] 电机驱动芯片的BMB2引脚和BMB1引脚作为B相H桥的桥臂中间节点，分别连接B相输出接口的Bout两端；BMA2引脚和BMA1引脚作为A相H桥的桥臂中间节点，分别连接A相输出接口的Aout两端；Aout两端、Bout两端分别串接一个滤波电容(C30、C31、C26、C27)后接地，以降低输出端的开关振铃； [0077] 电机驱动芯片的SRAL引脚、SRAH引脚、SRBH引脚、SRBL引脚分别串接第二电阻R33、第三电阻R32、第四电阻R25、第五电阻R26，第四电阻R25和第五电阻R26分别连接第一电流检测电阻R24的两端，第一电流检测电阻R24与第五电阻R26连接的一端接地，第三电阻R32和第二电阻R33分别连接第二电流检测电阻R31的两端，第二电流检测电阻R31与第二电阻R33连接的一端接地。 [0078] 第一双N沟道MOS管M1的两个D1引脚、2个D2引脚共同连接第二电容C37后接地并与24V直流电源相连，第三双N沟道MOS管M3的两个D1引脚、2个D2引脚共同连接第三电容C38后接地并与24V直流电源相连。 [0079] 第一双N沟道MOS管M1的S1引脚、S2引脚分别与第二双N沟道MOS管M2的两个D1引脚、两个D1引脚连接且分别与Bout两端相连；第三双N沟道MOS管M3的S1引脚、S2引脚分别与第四双N沟道MOS管M4的两个D1引脚、两个D1引脚连接且分别与Aout两端相连。 [0080] 另外，电机驱动芯片的SD_MODE引脚、TST_MODE引脚、两个GNDD引脚、GNDA引脚接地，该其余未连接的引脚浮空。 [0081] 如图5所示，位置反馈电路设有相连接的霍尔角度传感器Pos与运算放大器U5，运算放大器U5的输出端连接AD输入引脚；运算放大器采用两级电压跟随器，两级电压跟随器之间采用电阻分压网络使送入AD输入引脚的电压在单片机的电压量程范围内。具体的，霍尔角度传感器Pos的引脚1接5V直流电源，引脚2接地，引脚3作为模拟电压输出端连接运算放大器U5的+InA引脚，接入由运算放大器U5及其外围电路组成的信号调理电路，信号调理电路使用U5内部的两个运算放大器组成两级电压跟随器，利用电压跟随器输入阻抗高、输出阻抗低的特点实现霍尔角度传感器Pos与STM32F103C8T6单片机内部AD采集电路的隔离和阻抗匹配作用。另外，由于STM32F103C8T6单片机的AD输入电压满量程为3.3V，而所用霍尔角度传感器Pos的输出电压最大可达4.5V，故在两个电压跟随器中间采用电阻分压网络，将霍尔角度传感器Pos的输出电压降为原来的一半，使进入STM32F103C8T6单片机AD采集电路的电压在其量程范围内。这里，电阻分压网络包括连接在运算放大器的+InB引脚与地之间的第一分压电阻，和连接在运算放大器的+InB引脚与OutA引脚之间的第二分压电阻；运算放大器的‑InB引脚连接OutB引脚连接单片机的AD输入引脚。 [0082] 如图6所示，本实施例串口通信电路采用RS‑485芯片U4，具体型号为MAX13487E，U4的引脚1和引脚4接控制电路中STM32F103C8T6的USART接口，引脚2、引脚3和引脚8接5V直流电源为芯片供电，并在引脚8处接滤波电容C14，U4的A、B输出端即引脚6和引脚7分别接下拉电阻R13和上拉电阻R11，上拉电源接5V直流电源，引脚6和引脚7之间接终端电阻R12，实际应用时可根据需要，确定终端电阻的使用，U4的引脚5接地。U4的A、B接口作为整个电路的对外485串口通信接口，可通过此接口与上位机建立通信通道，实现6000M深海电动云台的两相步进电机驱动控制电路与上级控制单元之间的交互。 [0083] 为了使电路精简，本实施例所有24V直流电源均连接在一起，所有5V直流电源均连在一起，所有3.3V直流电源均连接在一起，所有地均连在一起，本实施例所用所有电容均为非电解电容，可以是陶瓷电容、钽电容。 [0084] 相比现有技术，该发明实施例所示方案具有效果： [0085] 1、对不同型号两相步进电机具有良好的通用性以及很好的驱动控制效果：采用“单片机STM32F103C8T6+步进电机驱动芯片TMC5160”的架构实现步进电机驱动和控制的分离，单片机STM32F103C8T6负载控制信号的处理，驱动芯片TMC5160负载步进电机的驱动，这样优化了本电路对步进电机的驱动和控制效果，并提升了本电路对不同型号步进电机的通用性； [0086] 2、较低的电磁干扰：由于两相步进电机驱动电路会对控制电路产生干扰，传统的步进电机驱动控制电路通常在控制电路与驱动电路之间采用光耦隔离电路，但光耦隔离器件不能耐高水压，所以本电路不采用光耦隔离，而是通过使用高性能步进电机驱动芯片TMC5160使驱动电路产生的干扰控制在可接受的范围以内； [0087] 3、可耐高水压的时钟源：传统的两相步进电机驱动电路中的时钟信号均由外部晶振电路提供，但由于晶振在高水压环境下时钟精度较差，故本电路不采用外部晶振电路而是使用驱动芯片TMC5160的内部时钟； [0088] 4、可耐高水压且效果良好的电机电源滤波：步进电机运行产生的反电动势以及MOSFET开关器件产生的开关噪声对电机电源影响较大，传统两相步进电机驱动电路采用大容值电解电容对电机电源进行滤波和能量的泄放，但电解电容不耐高水压，本电路采取在电机电源处并联蓄能电容(多个小容值陶瓷电容或钽电容)的方式代替； [0089] 5、可耐高水压且具备较高精度的位置反馈电路：传统的步进电机驱动采用编码器作为位置反馈元件，本电路采用霍尔角度传感器代替。霍尔角度传感器输出模拟信号，且电平范围超出单片机的AD采集电压范围，本电路设计了两级电压跟随电路和电阻分压网络组成的信号调理电路，使传感器输出信号电平与单片机的AD采集电平范围匹配，并实现传感器角度检测电路与单片机内部AD采集电路的隔离，避免相互影响，从而提高位置反馈数据的精度，进而提升步进电机的定位控制精度； [0090] 6、TMC5160有三种工作模式，本电路采用的是TMC5160的“运动控制器”模式，即通过STM3F103C8T6单片机给TM5160配置相应的寄存器，TMC5160根据配置的寄存器值使用自身内部运动控制器控制其内置步进电机驱动器从而达到控制两相步进电机的目的。 [0091] 通过上述方案，本电路使用STM3F103C8T6单片机及高性能步进电机驱动芯片TMC5160，可实现对深海电动云台使用的步进电机的最佳控制效果，此外该芯片TMC5160对不同型号、不同参数的步进电机具有广泛的兼容性，扩大了深海电动云台步进电机动力源的选型范围。并且，本发明电路摒弃外部晶振、大容值滤波电解电容、光耦隔离器件、光电编码器等不耐高水压的器件，其采用的电子元器件均不受高水压影响或受高水压影响较小，因而对巨大水压具有较高承受能力，可以承受约60Mpa水压，适用于6000M以下水深的深海应用环境。结合所使用的位置反馈电路可实现深海高水压环境下的步进电机闭环控制，进而实现深海电动云台的水下高精度定位控制。 [0092] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。 |
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