TMC428芯片在步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　一、TMC428芯片及其功能

　　TMC428是一種小尺寸、高性價比的二相步進(jìn)電機(jī)控制器，包括位置控制、速度控制及微步控制等步進(jìn)電機(jī)常用的控制功能，可同時對三個二相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。帶有2個獨立的SPI接口，可分別與微處理器和帶有SPI接口的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器相連接，能夠與3個TMC236相連接構(gòu)成菊花鏈結(jié)構(gòu)。

　　1、 結(jié)構(gòu)

　　TMC428采用16引腳封裝，是由各個單元的寄存器和片內(nèi)RAM構(gòu)成的。其內(nèi)部包括二個外部串行接口、波形發(fā)生器和脈沖發(fā)生器、微步單元、多口RAM 控制器和中斷控制器。如圖一所示。SPI串行通信使用32bit數(shù)據(jù)長度的簡單協(xié)議，與電機(jī)驅(qū)動器相連接時，其數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1Mbit/s。時鐘輸入范圍寬且時鐘頻率最高可達(dá)16MHz，采用3.3V或5V的CMOS/TTL兼容電平供電。

　　圖一

　　2、 功能

　　TMC428有4種不同的工作模式，對每個步進(jìn)電機(jī)的控制單獨編程，其中位置控制有RAMP模式和SOFT模式，速度控制有VELOCITY模式和 HOLD模式。TMC428提供了一組功能不同的寄存器單元和片內(nèi)RAM，一般從微處理器獲得控制指令，微處理器則通過發(fā)送和接收固定長度的數(shù)據(jù)包對 TMC428寄存器和RAM進(jìn)行讀寫操作。TMC428的寄存器和片內(nèi)RAM的功能有所不同。寄存器用于存儲電機(jī)總體配置參數(shù)和運動參數(shù)，而片內(nèi)RAM用于存儲驅(qū)動串行接口的配置和微步表。電機(jī)總體參數(shù)是指對驅(qū)動器菊花鏈中TMC236的配置。運動參數(shù)包括各電機(jī)的當(dāng)前位置、目標(biāo)位置、最大速度、最大加速度、電流比例、波形發(fā)生器和脈沖發(fā)生器參數(shù)以及微步細(xì)分分辨率等。片內(nèi)RAM包括64個地址的數(shù)據(jù)空間，每個地址可存儲24位寬的數(shù)據(jù)，前32位地址數(shù)據(jù)是對驅(qū)動器菊花鏈串行通信數(shù)據(jù)包的配置，后32位地址的數(shù)據(jù)為微步細(xì)分表。

　　初始化以后，TMC428即可自動發(fā)送數(shù)據(jù)包到菊花鏈的每個TMC236，也就是說，驅(qū)動串行接口經(jīng)過初始化后便可以自動工作，而不需要微處理器的參與。只要把位置、速度寫進(jìn)指定的寄存器就可以控制電機(jī)。 TMC428的多口RAM控制器可管理數(shù)據(jù)的存取時序。這樣，微處理器就可以在任何時間讀寫寄存器和片內(nèi)RAM的數(shù)據(jù)。

　　通過波形發(fā)生器可以處理存儲在寄存器里的運動參數(shù)并計算電機(jī)運動速度曲線。脈沖發(fā)生器則根據(jù)波形發(fā)生器計算得到的速度來產(chǎn)生步進(jìn)脈沖。步進(jìn)脈沖產(chǎn)生時TMC428的驅(qū)動串行接口將自動發(fā)送數(shù)據(jù)包給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器菊花鏈以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)采用微步控制時，微步單元即開始處理根據(jù)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的步進(jìn)脈沖，同時根據(jù)選擇的微步分辨率來產(chǎn)生全步、半步和微步脈沖，并通過驅(qū)動串口送給驅(qū)動器菊花鏈。

　　驅(qū)動串行接口是TMC428與驅(qū)動器菊花鏈之間的通信接口。從 TMC428到驅(qū)動器之間的串行數(shù)據(jù)包的長度是可配置的，以適應(yīng)由不同類型和廠家的電路構(gòu)成的SPI環(huán)形結(jié)構(gòu)，最大數(shù)據(jù)長度為64bit。初始化后，TMC428與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器之間的通信是自動完成的。不同類型的帶有SPI接口的驅(qū)動器都可以混合構(gòu)成菊花鏈結(jié)構(gòu)與TMC428進(jìn)行連接。

　　二、系統(tǒng)分析

　　本系統(tǒng)采用MCS51單片機(jī)作為微處理器，用于系統(tǒng)的控制和指令發(fā)布，這是整個控制系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的各種邏輯和數(shù)量計算都有單片機(jī)完成。由于系統(tǒng)采用SPI串行通信方式，而51單片機(jī)本身不帶有SPI接口，所以在單片機(jī)與TMC428必須獨立SPI專用接口模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這里采用MCP2510 SPI接口芯片。上電以后，單片機(jī)首先對TMC428進(jìn)行初始化，設(shè)置初始的位置、速度以及加速度等運動參數(shù)，并且配置菊花鏈串行通信數(shù)據(jù)和微步表。由于運動參數(shù)被配置在TMC428的功能寄存器中，在工作過程中可以根據(jù)實際要求在線更改以適應(yīng)實際運動過程，而菊花鏈串行通信數(shù)據(jù)和微步表是存放在片內(nèi)RAM中，上電以后這些參數(shù)一般不能更改，所以在初始化時要對這些參數(shù)進(jìn)行精確計算。采用3個TMC236構(gòu)成一個菊花鏈，每個 TMC236控制一個步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)初始化完成后，TMC428可以脫離單片機(jī)自動地把控制數(shù)據(jù)發(fā)送給TMC236實現(xiàn)對電機(jī)的控制，但由于TMC236所發(fā)出的控制信號比較弱，不足以驅(qū)動電機(jī)，所以在TMC236發(fā)出的控制信號必須進(jìn)過功率放大才能驅(qū)動電機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖二所示。

　　圖二

　　三、硬件設(shè)計

　　本系統(tǒng)單片機(jī)選用AT89S52，系統(tǒng)時鐘頻率采用16MHZ，由于TMC428的最高工作頻率能夠達(dá)到16MHZ，但TMC236的PWM操作頻率不能超過100KHZ，所以為了方便設(shè)計本系統(tǒng)采用分頻電路對16MHZ的時鐘頻率分頻為20KHZ，TMC428和TMC236都采用同一20KHZ時鐘頻率。為減小電源的復(fù)雜性，系統(tǒng)由單一+5V直流電源供電。由于本系統(tǒng)中TMC428不使用內(nèi)部中斷，所以3個參考開關(guān)輸入必須接地，同時沒有使用 3.3V電源，所以V33引腳必須通過一個470nF的電容接地，+5V輸入電源要通過一個100nF的電容濾波，以保證TMC428的可靠運行。驅(qū)動 SPI接口的數(shù)據(jù)輸入線SDI_S引腳要通過一個阻值為10K的電阻下拉。TMC428的nscs_s引腳作為3個TMC236使能信號與CSN引腳相連。控制數(shù)據(jù)通過SDO_S引腳傳送至TMC236的SDI引腳中，由于采用的是菊花鏈形式，所以3個TMC236通過各自的SDO——SDI兩個引腳相串聯(lián)。在TMC236電路設(shè)計中，20KHZ的外部時鐘從OSC引腳輸入。由于TMC236內(nèi)部集成了HVCMOSFET構(gòu)成的雙全橋驅(qū)動電路，它采用恒流斬波驅(qū)動方式來驅(qū)動雙極性二相步進(jìn)電機(jī)，其中電機(jī)的供應(yīng)電源由VS引腳輸入，但必須在VS引腳上連接220pF和100uF的電容進(jìn)行濾波，在本系統(tǒng)中采用+12V的直流電源作為電機(jī)兩相繞組的勵磁電源。TMC236的OA1和OA2連接步進(jìn)電機(jī)的A相勵磁繞組，而OB1和OB2連接步進(jìn)電機(jī)的B相勵磁繞組。另外，為了限制電機(jī)的最大電流，必須對TMC236雙全橋驅(qū)動電路設(shè)置限流電阻Rs，Rs電阻的設(shè)置可根據(jù)如下計算公式計算：

　　其中Imax為電機(jī)所允許的最大電流，在這里Imax=1030mA，所以計算電阻Rs=0.33Ω。本系統(tǒng)采用脈沖變壓器作為功率放大裝置直接對步進(jìn)電機(jī)供電。系統(tǒng)的主電路如圖三所示。

　　圖三

　　四、軟件設(shè)計

　　控制系統(tǒng)的軟件主要完成對TMC428的初始化以及控制參數(shù)計算和發(fā)送的工作。在初始化過程中首先要對TMC428的工作模式進(jìn)行設(shè)置，一個是位置控制模式和速度控制模式，另外就是TMC428所要控制的步進(jìn)電機(jī)的個數(shù)。這些參數(shù)的設(shè)置是通過微處理器向TMC428的相關(guān)寄存器寫數(shù)據(jù)來完成。其中位置和速度控制模式寄存器的地址為1010，在本系統(tǒng)中位置控制采用RAMP模式，速度控制采用VELOCITY模式。由于本系統(tǒng)是三軸控制設(shè)計，所以TMC428要同時對三個步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，因此在步進(jìn)電機(jī)全局配置參數(shù)寄存器設(shè)置中要把寄存器的地兩位設(shè)置為10，其他位采用默認(rèn)值。根據(jù) TMC428的功能要求，每個電機(jī)都有自己的配置寄存器，對于電機(jī)的初始位置和初始速度都要在各自寄存器中單獨設(shè)置。在初始化過程中對電機(jī)的目標(biāo)速度、目標(biāo)位置、實際速度和位置以及加速度和速度的最大值、最小值進(jìn)行設(shè)置00地址表示電機(jī)1，01地址表示電機(jī)2，10地址表示電機(jī)三，其寄存器地址范圍為 0000～1110。當(dāng)初始化完成后根據(jù)實際需要微處理器在任意時刻都可以改變寄存器和片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)以適應(yīng)實際控制。本系統(tǒng)的軟件工作過程如圖四所以。

　　圖四

　　五、總結(jié)

　　采用專用步進(jìn)電機(jī)運動控制器和驅(qū)動電路組成的系統(tǒng)具有外圍電路簡單、系統(tǒng)抗干擾能力強和可靠性高等優(yōu)點，可減少控制電路的開發(fā)成本。整個系統(tǒng)除了電源之外只有5個IC，因此，體積小，控制簡單，特別適用于3軸步時電機(jī)的驅(qū)動。實驗證明該驅(qū)動器控制的步時電機(jī)定位精度高，加、減速性能良好，同時，啟停、反轉(zhuǎn)性能也很優(yōu)良。