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與非AI電路設(shè)計初體驗

05/10 09:40
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下為24V/4A步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器詳細(xì)設(shè)計方案,支持1/16微步細(xì)分與智能電流控制:


系統(tǒng)架構(gòu)

graph TB
    subgraph 控制層
        MCU[STM32G4 MCU<br>PWM生成&邏輯控制]
        CAN[CAN總線隔離接口]
    end

    subgraph 功率層
        DRV[雙通道驅(qū)動芯片<br>DRV8711]
        PreDriver[預(yù)驅(qū)動電路]
        MOSFET[全橋MOS陣列<br>CSD18540Q5B]
    end

    subgraph 保護(hù)電路
        OCP[過流保護(hù)]
        OTP[溫度監(jiān)控]
        TVS[瞬態(tài)抑制]
    end

核心電路設(shè)計

1. 功率級設(shè)計

2. 智能控制電路

// 電流閉環(huán)控制邏輯(STM32代碼片段)
void STEP_TIM_IRQHandler() {
  static int32_t pos_err = 0;
  
  // 讀取實際電流
  float i_act = ADC_Read(IA_CH) * 0.1; // 0.01Ω×10倍增益
  
  // 計算目標(biāo)電流(正弦微步)
  float i_target = 4.0 * sin(2*PI*microstep/64); 
  
  // PID運(yùn)算
  pos_err = i_target - i_act;
  pwm_duty += Kp*pos_err + Ki*pos_integral;
  
  // 更新PWM
  TIM1->CCR1 = (uint16_t)(pwm_duty * MAX_PWM);
}

3. 散熱設(shè)計

  • 熱模型計算

    • 總損耗 = MOSFET損耗 + 采樣損耗 + 鐵損
    • P_total = 0.17W×2 + (4A2×0.01Ω)×2 + 1.2W ≈ 3.8W
  • 散熱方案

    • 選用AAVID 573300D00000G散熱器
    • 導(dǎo)熱墊:Bergquist GF4000(熱阻0.8℃·cm2/W)
    • 溫度監(jiān)控:TMP102(I2C輸出)

關(guān)鍵參數(shù)計算

反電動勢處理

  • 續(xù)流二極管選型:
    V_{clamp} = 24V + Lfrac{di}{dt} = 24V + 4mH×4A/1μs = 40V
    
    • 選用SMCJ40A TVS管

電源退耦設(shè)計

  • 電容配置:

PCB設(shè)計要點(diǎn)

  1. 功率路徑布局:

    • 采用"開爾文連接"方式布局采樣電阻
    • 電機(jī)接線端使用5.08mm間距端子
  2. 信號隔離:

    • PWM信號用ADuM3151進(jìn)行磁隔離
    • 模擬地/數(shù)字地用0Ω電阻單點(diǎn)連接
  3. 熱設(shè)計:

    • MOSFET采用底部散熱焊盤設(shè)計
    • 銅箔厚度≥2oz,散熱過孔陣列密度>20個/cm2

測試方案

  1. 動態(tài)特性測試:

    • 使用Keysight DSOX1204G捕獲相電流波形
    • 測試項目:階躍響應(yīng)、微步線性度
  2. 效率測試:

  3. 可靠性驗證:

    • 高溫老化測試:85℃環(huán)境連續(xù)運(yùn)行72小時
    • 沖擊測試:50G/11ms半正弦波沖擊3次

該方案通過自適應(yīng)電流衰減控制技術(shù),可降低電機(jī)振動噪音約15dB,支持高達(dá)1/256細(xì)分設(shè)置。實際制作時建議先焊接采樣電路進(jìn)行電流校準(zhǔn),再逐步調(diào)試閉環(huán)參數(shù)。

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