任务介绍

这是一款安装在42步进电机背面的FOC驱动器，与电机相同尺寸，支持电流环、速度环、位置环三环FOC控制，支持多种通讯接口，包括CAN，MODBUS，RS485，UART，I2C以及常见的EN、DIR、STP控制，以及基于WIF的MQTT。

我曾在一年前制作过一个FOC步进电机驱动，当时使用的驱动芯片是TI的DRV8962。后续使用中发现一系列问题。主要的几个问题如下：

1，DRV8962使用并不广泛，器件昂贵且难以购买。

2，DRV8962内置电流镜检测的是高端电流，但高端电流检测目前并没有受到大多数开源电机控制库的支持。

3，板载UART-USB接口虽然在调试阶段增加便利性，但是却让日后添加UART外设传感器变得非常不便。

4，5V稳压二极管虽然能对接口带来保护，但在RS485, CAN等差模信号遇到较高的共模干扰时，稳压二极管反而会造成通信异常。

因此在本次活动中我更换方案，重新设计了这款驱动器。

设计的模块介绍

本项目使用的核心模块有两个，其中主控使用ESP32-S3，电机驱动使用的是两片DRV8874 H桥驱动器，支持6A电流驱动。

ESP32-S3-WROOM-1-N16R8: https://www.digikey.hk/zh/products/detail/espressif-systems/ESP32-S3-WROOM-1-N16R8/16162642

DRV8874: https://www.digikey.hk/zh/products/detail/texas-instruments/drv8874pwpr/11502339

DRV8874的集成度非常高，上面已经集成了低边电流测量功能，板载再加一个编码器识别电机角度即可。我选择的是AS5047P非接触式磁编码器。

其他的模块是为了一些通信和调试功能服务。

原理图和PCB模块设计介绍

先看一下原理图全貌，每个功能区域都单独用框框了起来。MCU引脚分配也都使用标签桥接单独列出，方便查询及修改。

下面每一个部分讲一下设计需要特别注意的地方：

ESP32-S3-WROOM模块要特别注意strapping引脚的电平配置。虽然默认内置了弱上/下拉，但我实际使用中发现内置弱上/下拉力度太弱，非常容易被干扰导致启动或者刷血异常，因此还是最好通过外置电阻进行配置。同时，在使用这些strapping管脚时要特别注意，最好不要用做输入功能，以免被其他设备上电默认输出电平影响启动，另外在作为输出引脚使用时也要注意相关设备引脚的默认上/下拉配置。

电机驱动模式尽可能不要用电阻配置死，而是直接连接单片机，靠单片机来进行配置。这里两个PMODE引脚使用了ESP32-S3上的strapping管脚，通过查询规格书可以看到这个管脚没有上下拉配置，可以放心使用。

电源设计注意输出电容要选一个大容值的钽电容或者固态电容。不能直接用陶瓷电容，否则ESR不满足要求，需要修改反馈回路。其他原理图上没什么讲究，更多的讲就是在PCB Layout上。

AS5047P使用SPI进行通信，效率比较高。连接ESP32-S3时尽量使用硬件VSPI，以获得最好的效果。

RS485和CAN通信部分添加了可选的终端电阻接入跳线帽，方便使用。

板子接口设计的比较多样化，调试和烧录固件可以试用USB或者UART，板载了RST和BOOT按钮可以方便快速进入烧写模式。另外使用2.54双排针引出GPIO，可以方便使用一些ADC, SPI, I2C, UART等传感器或者额外的执行部件例如继电器，LED等。主要的通信端口，电源端口和电机端口使用的KF128螺栓端子，工业领域较为常见且通用度高，非常灵活。

最后再看一下PCB，设计的比较小巧，又要满足部分线路的大电流和抗干扰，layout上讲究还是比较多的，大家直接看图，我就不过多赘述了。

eZ-PLM上新建物料和项目的截图

在物料页面可以添加对应的物料，方便在设计过程中对成本进行控制。

项目页面可以方便的添加多个版本的PCB。

心得体会

时隔一年再次参加电子森林的活动，活动依旧创意十足，诚意满满！