如何為步進(jìn)電機(jī)、繼電器和 LED 創(chuàng)建動(dòng)態(tài)電源解決方案

1.前言

作為工程師，每當(dāng)我們面臨為步進(jìn)電機(jī)、LED 和其他外圍設(shè)備設(shè)計(jì)控制或電源電路的挑戰(zhàn)時(shí)，我們都喜歡使系統(tǒng)適應(yīng)特定的規(guī)則和條件。我們基本上測(cè)量了兩次，但僅限于那組特定條件。事后的任何更改只會(huì)意味著額外的成本和評(píng)估時(shí)間，這對(duì)任何項(xiàng)目來(lái)說(shuō)都是一個(gè)巨大的痛苦。

那么當(dāng)我們需要針對(duì)多個(gè)系統(tǒng)或配置的解決方案時(shí)會(huì)發(fā)生什么？我們如何確保在擁有一個(gè)可以為電機(jī)供電的系統(tǒng)和讓我們在設(shè)計(jì)完成后靈活添加其他高壓設(shè)備之間保持平衡？我建議我們使用系統(tǒng)的一個(gè)模塊或子集開(kāi)始我們的設(shè)計(jì)，我們可以稍后對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。

2.接口靈活性

我們要做的第一件事是確保我們可以隨意連接電源驅(qū)動(dòng)器。雖然選擇具有足夠通用輸入/輸出 (GPIO) 來(lái)驅(qū)動(dòng)輸出的主機(jī)控制器是個(gè)好主意，但實(shí)現(xiàn)控制方案或程序變得越來(lái)越困難，因?yàn)槊總€(gè) GPIO 引腳都有自己的調(diào)用和要執(zhí)行的操作。這是串行接口變得方便的地方。大多數(shù)處理器都有大量?jī)?nèi)部接口，如圖 1 所示。這些接口模塊可以控制內(nèi)存或外部傳感器，甚至可以與其他處理器進(jìn)行通信。

圖 1：MSP430? 內(nèi)部框圖

然而，對(duì)于我們的系統(tǒng)，選擇很簡(jiǎn)單。正如我在介紹中提到的，我們正在制作這個(gè)系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)多個(gè)外圍設(shè)備，包括步進(jìn)電機(jī)。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，我們需要確保從主機(jī)提供順序和同步的輸出。

圖 2：SPI 主從連接

串行外設(shè)接口 (SPI) 和 I 2 C等接口為我們提供了來(lái)自主機(jī)或主設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)的優(yōu)勢(shì)（如圖 2 所示），并且能夠通過(guò)共享串行數(shù)據(jù)和時(shí)鐘線進(jìn)行擴(kuò)展。然而，為了我們的設(shè)計(jì)，我們希望保持低成本，因?yàn)榫哂写罅侩姍C(jī)和 LED 的解決方案需要多次迭代。

某些電機(jī)、LED 和其他設(shè)備可能無(wú)法從將內(nèi)部串行接口用作處理器中受益。在這些情況下，我們可以使用串并轉(zhuǎn)換器，例如圖 3 中所示的SN74HC595 。該設(shè)備有助于將數(shù)據(jù)按順序傳送到輸出。我為我的設(shè)計(jì)選擇了這個(gè)部件，因?yàn)樗子谑褂谩⒊杀镜?，并且使設(shè)計(jì)人員能夠堆疊或菊花鏈類似的設(shè)備。任何其他串行到并行設(shè)備也可以幫助完成任務(wù)，例如SN74HC164或TCA9539.

圖3 ：SN74HC595

3.驅(qū)動(dòng)高壓大電流

不幸的是，我們不能簡(jiǎn)單地從主機(jī)微控制器驅(qū)動(dòng)高功率負(fù)載。但是，我們可以應(yīng)用 FET 來(lái)降低處理器的整體電流需求。這實(shí)際上是設(shè)計(jì)論壇中比較流行的主題之一.如果我們從本應(yīng)用筆記中翻閱一頁(yè)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn) ULN2003A 是一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案。

圖 4 展示了 MSP430 微控制器和ULN2003A如何驅(qū)動(dòng) 12V 邏輯軌以及一些電機(jī)和 LED。這非常有效，因?yàn)?ULN2003A 可以處理高達(dá) 50V 的電壓和高達(dá) 500mA/通道的電流，這為我們提供了足夠的電機(jī)和 LED 范圍。

圖 4：將 MSP30 連接到高電壓和高電流負(fù)載

4.鏈接

現(xiàn)在我們已擁有所需的一切，我們可以連接 MSP430 MCU、SN74HC595、ULN2003A 和 CSD17571Q2，以創(chuàng)建一個(gè)靈活的電源結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可在八個(gè)通道的倍數(shù)中進(jìn)行擴(kuò)展，如圖 5 所示。

圖 5：我們的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

我們可以使用這種架構(gòu)來(lái)創(chuàng)建復(fù)雜的系統(tǒng)，例如空調(diào)、LED 顯示矩陣，甚至是具有多個(gè)燈和電機(jī)的機(jī)器人。我們還可以創(chuàng)建具有附加特性或功能的同一設(shè)計(jì)的多個(gè)版本，例如額外的顯示器或電機(jī)，如圖 6 所示。

圖 6：擴(kuò)展我們的電源驅(qū)動(dòng)器以容納更多外圍設(shè)備

因?yàn)?/span>我們將設(shè)計(jì)保持在一個(gè)舒適的規(guī)模，我們現(xiàn)在可以根據(jù)我們的應(yīng)用要求擴(kuò)展或減少我們的功能，或者回收相同的結(jié)構(gòu)來(lái)提出其他需要高電壓、高電流或兩者兼而有之的應(yīng)用。而且由于我們只選擇了成本較低的替代方案，因此我們可以確保我們的電路板保持成本效益，即使經(jīng)過(guò)多次迭代也是如此。

這是一個(gè)非常易于使用和靈活的設(shè)計(jì)，因此我們采用了這個(gè)想法并利用它制作了一個(gè)BoosterPack 。但這只是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和 LED 等高功率外圍設(shè)備的眾多不同方式之一。