#第六届立创电赛#ESP32两相四线混合式步进电机闭环驱动器

简介:ESP32-PICO-D4两相四线混合式步进电机闭环驱动器,可以串口/蓝牙/WiFi在线调参

开源协议: CC-BY-NC-SA 3.0

发布时间:2021-05-21 19:26:24
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描述

1、项目功能介绍



步进电机因其定位精度高、造价较低、控制简单而在生产生活中被广泛应用

 

闭环步进电机相较于开环步进电机具有一定的过载能力不会丢步,可以根据负载调节电流从而降低电机发热

 

由于芯片价格飞涨,闭环步进电机控制器造价水涨船高,本设计提出了一种以国产芯片ESP32为主控的闭环步进电机控制器方案

 

本设计以杨工的闭环步进电机驱动器为基础,硬件方面做了修改和重新设计,软件方面对代码进行了移植以及重构,并抽取出Grbl_ESP32的部分代码作为核心算法的运行框架

 

特性:

1、EN/DIR/STEP接口控制,兼容3D打印机主板

2、串口/蓝牙/Telnet在线调参

3、3.3A峰值电流

4、位置闭环/位置开环模式可切换

5、过热保护

6、电压监测

7、实时数据反馈

 

典型应用:

1、3D打印机、激光雕刻机、平面绘图仪

2、机器人

3、电动滑台

4、智能窗帘

5、电动转盘

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图1 arduiino风格引脚图

 

2、项目属性


项目为首次公开;

项目为原创;

项目未曾在其他比赛中获奖;

项目未曾在学校参加过答辩;

 

 

3、开源协议


开源协议: CC-BY-NC-SA 3.0

 

引用:#第四届立创大赛#HyperStepper一体化低成本高速高精度全闭环步进电机 (开源协议:BSD)

引用:Grbl_Esp32(开源协议:GPL-3.0)

自我引用:【航顺训练营】闭环步进电机控制器

自我引用:ESP32闭环步进电机控制器

 

4、硬件部分


(1)驱动电路:

本设计以两片A4950芯片作为驱动芯片,该芯片为全桥式DMOS PWM电机驱动,并且具有电流限制功能,依据此功能可实现恒流控制

 

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图2 A4950结构框图

 

通过调节Verf引脚电压即可改变恒输出电流的大小,Imax = Verf/(10*Rsense),本设计中,将两只A4950的Verf引脚分别连接至ESP32的DAC输出引脚,使用0.1Ω的电流采样电阻,故最大输出3.3A电流

 

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图3 A4950电路图

 

(2)BUCK降压电路&LDO降压电路:

本设计中,控制系统电源由电机电源经BUCK电路降压至5V并通过LDO降压电路二次降压后得到

本设计采用的BUCK芯片型号为JW5026,其耐压值高达40V,最大输出1A电流,其需要的外围元件数量少、滤波感感量要求低,故非常节约PCB空间

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图4 BUCK降压电路

 

本设计使用的LDO型号为其最大输出电流可达900mA,非常适合为ESP32供电

 

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图5 LDO降压电路

 

(3)外部信号输入电路:

本设计将外部输入信号用光耦进行隔离,其中EN为低低速信号,故使用低速光耦,DIR/CLK信号为高速信号,故使用高速光耦

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图6 外部输入信号电路

 

(4)MCU最小系统:

本设计使用ESP32-PICO-D4作为主控,其集成了晶振/SPI FLASH/RF滤波电路/退耦电容等,所需外围元器件非常少

本设计预留了一个GH1.25 6pin接口作为程序烧录接口以及串口通信接口

 

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图7 MCU最小系统

 

(5)编码器电路:

本设计使用国产14bit高精度绝对值磁编码器MT6816,可以选择使用其SPI接口或ABI接口(暂未支持),其安装在PCB背面,通过安装在电机尾部的径向充磁磁铁获取电机转子角度

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图8 编码器电路

 

(6)电机电源电压采样电路&驱动IC温度采样电路:

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图9 电机电源电压采样电路&驱动IC温度采样电路

 

(7)电机电源滤波电路:

本设计在电机电源上使用了一枚SS54防止步进电机处于发电状态时产生的电能导致系统错误启动,并使用了一枚SMBJ30CA用于防止步进电机处于回馈制动状态或者发电状态时产生的电压烧毁A4950,还使用了大容量的MLCC进行行储能以将其其运行时电机电源的电压纹波

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图10 电机电源滤波电路

 

5、软件部分


代码:https://gitee.com/STM32G474RET6/xbdrive(尚不完善)

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图11 代码截图

 

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                 图12 系统框架

 

6、BOM清单


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图13 BOM表截图(包含转接模块以及串口模块元件)

 

7、大赛LOGO验证


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图14 背面图片

 

8、演示视频

 

ID Name Designator Footprint Quantity BOM_Supplier BOM_Supplier Part
1 1u/50V C1,C3,C7,C8,C9,C10,C11,C15,C16 C0603_SMALL 9 LCSC C15849
2 100n C2,C5,C12,C13 C0603_SMALL 4 LCSC C14663
3 47u/10V C4 C1206_SMALL 1 LCSC C96123
4 4.7u/50V C6 C1206_SMALL 1 LCSC C141667
5 10u/16V C14 C0603_SMALL 1 LCSC C19702
6 X8821WR-06S-N0SN CN1 CONN-TH_6P-P2.50_X8821WR-06S-N2SN 1 LCSC C388743
7 1.25T-6P-WT CN2,CN3 CONN-SMD_6P-P1.25_1.25T-6P-WT 2 LCSC C97377
8 A2501WV-6P CN4 CONN-TH_A2501WV-6P 1 LCSC C225392
9 HDR-M-2.54_1x8 J1,J2 HDR-M-2.54_1X8 2 LCSC C190820
10 AN9520-245 L1 ANT-SMD_L9.5-W2.1 1 LCSC C99665
11 4.7uH L2 IND-SMD_L2.5-W2.0 1 LCSC C490449
12 LED-0603_R LED1 LED0603_VIOLET_SMALL 1 LCSC C72044
13 LED-0603_B LED2 LED0603_BLUE_SMALL 1 LCSC C72041
14 22uF MC1,MC2,MC3,MC4,MC5,MC6,MC7,MC8 C1210 8 LCSC C171750
15 SS54 MD1 SMB_L4.6-W3.6-LS5.3-R-RD 1 LCSC C32513
16 SMBJ30CA MD2 SMB_L4.6-W3.6-LS5.3-BI 1 LCSC C362083
17 0R10 MR1,MR2 R1206 2 LCSC C388443
18 A4950 MU1,MU2 HSOP-8_L5.0-W4.0-P1.27-LS6.2-TL-EP 2 LCSC C82404
19 S8050 Q1,Q2 SOT-23-3_L2.9-W1.3-P1.90-LS2.4-BR 2 LCSC C2146
20 SS8550 Q3,Q4,Q5 SOT-23-3_L2.9-W1.3-P1.90-LS2.4-BR 3 LCSC C2762207
21 0R R1,R10,R11,R14 R0603_SMALL 4 LCSC C15402
22 10k R2,R3,R5,R6,R7,R21,R22 R0603_SMALL 7 LCSC C25804
23 52.3k R4 R0603_SMALL 1 LCSC C23198
24 1k R8,R9,R12,R13,R15,R17,R18,R23,R24,R25 R0603_SMALL 10 LCSC C21190
25 390 R16,R19,R20 R0603_SMALL 3 LCSC C23151
26 10k RT1 R0603_SMALL 1 LCSC C524451
27 TS-1088R-02026 SW1,SW2 SW-SMD_L3.9-W3.0-P4.45 2 LCSC C455280
28 ESP32-PICO-D4 U1 QFN-48_L7.0-W7.0-P0.50-BL-EP5.1 1 LCSC C193707
29 JW5026 U2 SOT-23-6_L2.9-W1.6-P0.95-LS2.8-BR 1 LCSC C185109
30 XC6210B332MR U3,U8 SOT-23-5_L3.0-W1.7-P0.95-LS2.8-BR 2 LCSC C424705
31 MT6816CT-AKD U4 SOP-8_L5.0-W4.0-P1.27-LS6.2-BL 1 LCSC C879561
32 EL3H7(B)(TA)-G U5 SOP-4_L4.4-W2.8-P1.27-LS7.0-TL 1 LCSC C32565
33 TLP2168(TP,F) U6 SO-8_L4.9-W3.9-P1.27-LS5.9-BL 1 LCSC C99480
34 CH340K U7 ESOP-10_L4.9-W3.9-P1.00-LS6.2-BL-EP 1 LCSC CH340K
35 TYPE-C-31-M-12 USBC1 USB-C_SMD-TYPE-C-31-M-12 1 LCSC C165948

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