基于TMC428的步進(jìn)電機控制系統設計

　　本系統采用MCS51單片機作為微處理器，用于系統的控制和指令發(fā)布，這是整個(gè)控制系統的核心，系統的各種邏輯和數量計算都有單片機完成。由于系統采用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(zhuān)用接口模塊進(jìn)行數據轉換，這里采用MCP2510SPI接口芯片。上電以后，單片機首先對TMC428進(jìn)行初始化，設置初始的位置、速度以及加速度等運動(dòng)參數，并且配置菊花鏈串行通信數據和微步表。由于運動(dòng)參數被配置在TMC428的功能寄存器中，在工作過(guò)程中可以根據實(shí)際要求在線(xiàn)更改以適應實(shí)際運動(dòng)過(guò)程，而菊花鏈串行通信數據和微步表是存放在片內RAM中，上電以后這些參數一般不能更改，所以在初始化時(shí)要對這些參數進(jìn)行精確計算。采用3個(gè)TMC236構成一個(gè)菊花鏈，每個(gè)TMC236控制一個(gè)步進(jìn)電機，當初始化完成后，TMC428可以脫離單片機自動(dòng)地把控制數據發(fā)送給TMC236實(shí)現對電機的控制，但由于TMC236所發(fā)出的控制信號比較弱，不足以驅動(dòng)電機，所以在TMC236發(fā)出的控制信號必須進(jìn)過(guò)功率放大才能驅動(dòng)電機。系統結構如圖二所示。

圖二

三、硬件設計

　　本系統單片機選用AT89S52，系統時(shí)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(guò)100KHZ，所以為了方便設計本系統采用分頻電路對16MHZ的時(shí)鐘頻率分頻為20KHZ，TMC428和TMC236都采用同一20KHZ時(shí)鐘頻率。為減小電源的復雜性，系統由單一+5V直流電源供電。由于本系統中TMC428不使用內部中斷，所以3個(gè)參考開(kāi)關(guān)輸入必須接地，同時(shí)沒(méi)有使用3.3V電源，所以V33引腳必須通過(guò)一個(gè)470nF的電容接地，+5V輸入電源要通過(guò)一個(gè)100nF的電容濾波，以保證TMC428的可靠運行。驅動(dòng)SPI接口的數據輸入線(xiàn)SDI_S引腳要通過(guò)一個(gè)阻值為10K的電阻下拉。TMC428的nscs_s引腳作為3個(gè)TMC236使能信號與CSN引腳相連?？刂茢祿ㄟ^(guò)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(gè)TMC236通過(guò)各自的SDO――SDI兩個(gè)引腳相串聯(lián)。在TMC236電路設計中，20KHZ的外部時(shí)鐘從OSC引腳輸入。由于TMC236內部集成了HVCMOSFET構成的雙全橋驅動(dòng)電路，它采用恒流斬波驅動(dòng)方式來(lái)驅動(dòng)雙極性二相步進(jìn)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(jìn)行濾波，在本系統中采用+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(jìn)電機的A相勵磁繞組，而OB1和OB2連接步進(jìn)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雙全橋驅動(dòng)電路設置限流電阻Rs，Rs電阻的設置可根據如下計算公式計算：

　　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。本系統采用脈沖變壓器作為功率放大裝置直接對步進(jìn)電機供電。系統的主電路如圖三所示。

圖三