引言

　　步進電機是一種重要的執(zhí)行裝置，廣泛用于工業(yè)控制和各種辦公設備中，步進電機的穩(wěn)定可靠運行直接關(guān)系到工業(yè)控制的精度和設備的質(zhì)量，特別是在高精度數(shù)控系統(tǒng)中更是要求步進電機能夠精確運行。如何實現(xiàn)對步進電機的精確可靠控制成為工業(yè)控制等系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。多年來很多專家學者研制出很多性能較好的步進電機控制系統(tǒng)，然而，早期的步進電機控制系統(tǒng)體積大，使用的元器件多，這給系統(tǒng)的可靠運行帶來了較大的隱患。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，很多功能單元都走向模塊化和數(shù)字化，并且具有體積小，重量輕，工作可靠性高，成本低等優(yōu)點，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多軸控制，這給步進電機控制系統(tǒng)的設計帶來了很大的方便。由TRINAMIC公司生產(chǎn)的TMC428就是這樣一款三軸步進電機運動控制芯片。這里使用TMC428控制芯片設計一種三軸步進電機控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)可用于經(jīng)濟型三軸數(shù)控系統(tǒng)中。

一、TMC428芯片及其功能

　　TMC428是一種小尺寸、高性價比的二相步進電機控制器，包括位置控制、速度控制及微步控制等步進電機常用的控制功能，可同時對三個二相步進電機進行控制。帶有2個獨立的SPI接口，可分別與微處理器和帶有SPI接口的步進電機驅(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，與電機驅(qū)動器相連接時，其數(shù)據(jù)傳輸速率高達1Mbit/s。時鐘輸入范圍寬且時鐘頻率最高可達16MHz，采用3.3V或5V的CMOS/TTL兼容電平供電。

　　2、 功能

　　TMC428有4種不同的工作模式，對每個步進電機的控制單獨編程，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)包括各電機的當前位置、目標位置、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、速度寫進指定的寄存器就可以控制電機。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)生步進脈沖。步進脈沖產(chǎn)生時TMC428的驅(qū)動串行接口將自動發(fā)送數(shù)據(jù)包給步進電機驅(qū)動器菊花鏈以驅(qū)動步進電機。當采用微步控制時，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與步進電機驅(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進行連接。

二、系統(tǒng)分析

　　本系統(tǒng)采用MCS51單片機作為微處理器，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)量計算都有單片機完成。由于系統(tǒng)采用SPI串行通信方式，而51單片機本身不帶有SPI接口，所以在單片機與TMC428必須獨立SPI專用接口模塊進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這里采用MCP2510 SPI接口芯片。上電以后，單片機首先對TMC428進行初始化，設置初始的位置、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控制一個步進電機，當初始化完成后，TMC428可以脫離單片機自動地把控制數(shù)據(jù)發(fā)送給TMC236實現(xiàn)對電機的控制，但由于TMC236所發(fā)出的控制信號比較弱，不足以驅(qū)動電機，所以在TMC236發(fā)出的控制信號必須進過功率放大才能驅(qū)動電機。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖二所示。

三、硬件設計

　　本系統(tǒng)單片機選用AT89S52，系統(tǒng)時鐘頻率采用16MHZ，由于TMC428的最高工作頻率能夠達到16MHZ，但TMC236的PWM操作頻率不能超過100KHZ，所以為了方便設計本系統(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?？刂茢?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)動雙極性二相步進電機，其中電機的供應電源由VS引腳輸入，但必須在VS引腳上連接220pF和100uF的電容進行濾波，在本系統(tǒng)中采用+12V的直流電源作為電機兩相繞組的勵磁電源。TMC236的OA1和OA2連接步進電機的A相勵磁繞組，而OB1和OB2連接步進電機的B相勵磁繞組。另外，為了限制電機的最大電流，必須對TMC236雙全橋驅(qū)動電路設置限流電阻Rs，Rs電阻的設置可根據(jù)如下計算公式計算：

　　其中Imax為電機所允許的最大電流，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電機供電。系統(tǒng)的主電路如圖三所示。

四、軟件設計

　　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的工作模式進行設置，一個是位置控制模式和速度控制模式，另外就是TMC428所要控制的步進電機的個數(shù)。這些參數(shù)的設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)是三軸控制設計，所以TMC428要同時對三個步進電機進行控制，因此在步進電機全局配置參數(shù)寄存器設置中要把寄存器的地兩位設置為10，其他位采用默認值。根據(jù)TMC428的功能要求，每個電機都有自己的配置寄存器，對于電機的初始位置和初始速度都要在各自寄存器中單獨設置。在初始化過程中對電機的目標速度、目標位置、實際速度和位置以及加速度和速度的最大值、最小值進行設置00地址表示電機1，01地址表示電機2，10地址表示電機三，其寄存器地址范圍為0000～1110。當初始化完成后根據(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)以適應實際控制。本系統(tǒng)的軟件工作過程如圖四所以。

五、總結(jié)

　　采用專用步進電機運動控制器和驅(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軸步時電機的驅(qū)動。實驗證明該驅(qū)動器控制的步時電機定位精度高，加、減速性能良好，同時，啟停、反轉(zhuǎn)性能也很優(yōu)良。

參考文獻：

　　1 TMC428 datasheet

　　2 TMC236 datasheet

　　3 吳紅星.《電機驅(qū)動與控制專用集成電路及應用》.北京：中國電力出版社，2006年

　　4 于海生、潘松峰、于培仁、吳賀榮.《微型計算機控制技術(shù)》.北京：清華大學出版社，1999年

　　5 董桂花.《步進電機控制系統(tǒng)的研究》.《農(nóng)機化研究》. 2003年03期。

　　6 周明德.《單片機原理與技術(shù)》.北京：人民郵電出版社，2008年