基于TMC428的步進(jìn)電機控制系統設計

引言

　　步進(jìn)電機是一種重要的執行裝置，廣泛用于工業(yè)控制和各種辦公設備中，步進(jìn)電機的穩定可靠運行直接關(guān)系到工業(yè)控制的精度和設備的質(zhì)量，特別是在高精度數控系統中更是要求步進(jìn)電機能夠精確運行。如何實(shí)現對步進(jìn)電機的精確可靠控制成為工業(yè)控制等系統中的關(guān)鍵技術(shù)。多年來(lái)很多專(zhuān)家學(xué)者研制出很多性能較好的步進(jìn)電機控制系統，然而，早期的步進(jìn)電機控制系統體積大，使用的元器件多，這給系統的可靠運行帶來(lái)了較大的隱患。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，很多功能單元都走向模塊化和數字化，并且具有體積小，重量輕，工作可靠性高，成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且能夠實(shí)現多軸控制，這給步進(jìn)電機控制系統的設計帶來(lái)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(jìn)電機運動(dòng)控制芯片。這里使用TMC428控制芯片設計一種三軸步進(jìn)電機控制系統，本系統可用于經(jīng)濟型三軸數控系統中。

一、TMC428芯片及其功能

　　TMC428是一種小尺寸、高性?xún)r(jià)比的二相步進(jìn)電機控制器，包括位置控制、速度控制及微步控制等步進(jìn)電機常用的控制功能，可同時(shí)對三個(gè)二相步進(jìn)電機進(jìn)行控制。帶有2個(gè)獨立的SPI接口，可分別與微處理器和帶有SPI接口的步進(jìn)電機驅動(dòng)器相連接，能夠與3個(gè)TMC236相連接構成菊花鏈結構。

　　1、結構

　　TMC428采用16引腳封裝，是由各個(gè)單元的寄存器和片內RAM構成的。其內部包括二個(gè)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數據長(cháng)度的簡(jiǎn)單協(xié)議，與電機驅動(dòng)器相連接時(shí)，其數據傳輸速率高達1Mbit/s。時(shí)鐘輸入范圍寬且時(shí)鐘頻率最高可達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(gè)步進(jìn)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RAM，一般從微處理器獲得控制指令，微處理器則通過(guò)發(fā)送和接收固定長(cháng)度的數據包對TMC428寄存器和RAM進(jìn)行讀寫(xiě)操作。TMC428的寄存器和片內RAM的功能有所不同。寄存器用于存儲電機總體配置參數和運動(dòng)參數，而片內RAM用于存儲驅動(dòng)串行接口的配置和微步表。電機總體參數是指對驅動(dòng)器菊花鏈中TMC236的配置。運動(dòng)參數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)生器參數以及微步細分分辨率等。片內RAM包括64個(gè)地址的數據空間，每個(gè)地址可存儲24位寬的數據，前32位地址數據是對驅動(dòng)器菊花鏈串行通信數據包的配置，后32位地址的數據為微步細分表。

　　初始化以后，TMC428即可自動(dòng)發(fā)送數據包到菊花鏈的每個(gè)TMC236，也就是說(shuō)，驅動(dòng)串行接口經(jīng)過(guò)初始化后便可以自動(dòng)工作，而不需要微處理器的參與。只要把位置、速度寫(xiě)進(jìn)指定的寄存器就可以控制電機。TMC428的多口RAM控制器可管理數據的存取時(shí)序。這樣，微處理器就可以在任何時(shí)間讀寫(xiě)寄存器和片內RAM的數據。

　　通過(guò)波形發(fā)生器可以處理存儲在寄存器里的運動(dòng)參數并計算電機運動(dòng)速度曲線(xiàn)。脈沖發(fā)生器則根據波形發(fā)生器計算得到的速度來(lái)產(chǎn)生步進(jìn)脈沖。步進(jìn)脈沖產(chǎn)生時(shí)TMC428的驅動(dòng)串行接口將自動(dòng)發(fā)送數據包給步進(jìn)電機驅動(dòng)器菊花鏈以驅動(dòng)步進(jìn)電機。當采用微步控制時(shí)，微步單元即開(kāi)始處理根據脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的步進(jìn)脈沖，同時(shí)根據選擇的微步分辨率來(lái)產(chǎn)生全步、半步和微步脈沖，并通過(guò)驅動(dòng)串口送給驅動(dòng)器菊花鏈。

　　驅動(dòng)串行接口是TMC428與驅動(dòng)器菊花鏈之間的通信接口。從TMC428到驅動(dòng)器之間的串行數據包的長(cháng)度是可配置的，以適應由不同類(lèi)型和廠(chǎng)家的電路構成的SPI環(huán)形結構，最大數據長(cháng)度為64bit。初始化后，TMC428與步進(jìn)電機驅動(dòng)器之間的通信是自動(dòng)完成的。不同類(lèi)型的帶有SPI接口的驅動(dòng)器都可以混合構成菊花鏈結構與TMC428進(jìn)行連接。