基于專(zhuān)用控制芯片的步進(jìn)電機運動(dòng)控制系統設計

摘要：為了降低研發(fā)成本，減輕微控制器的壓力，提高系統的穩定性和靈活性，提出了一種基于專(zhuān)用控制芯片的步進(jìn)電機運動(dòng)控制系統設計方案。該運動(dòng)控制系統中主要采用了微控制器AT90CAN128、步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片TMC262和步進(jìn)電機運動(dòng)控制芯片TMC429。一旦初始化，系統可同時(shí)控制3個(gè)兩相步進(jìn)電機，并且可自主完成各種實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)。測試結果表明所設計的控制系統具有數據傳輸穩定、性?xún)r(jià)比高、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，達到了預期的設計效果和要求。
關(guān)鍵詞：TMC262；TMC429；單片機；步進(jìn)電機；專(zhuān)用控制芯片

步進(jìn)電機是一種將電脈沖信號轉化為角位移或線(xiàn)位移的電磁機械裝置。步進(jìn)電機的穩定性和可靠性直接影響到工業(yè)控制領(lǐng)域的精度，特別是在點(diǎn)膠點(diǎn)焊等高精度運動(dòng)控制系統中，對于步進(jìn)電機的精度和穩定性要求更高。所以說(shuō)，對于步進(jìn)電機控制系統的研究，不論是在實(shí)際效益還是理論價(jià)值方面意義都將是巨大的。近年來(lái)不少專(zhuān)家學(xué)者研制出性能不錯的步進(jìn)電機控制系統，然而這些控制系統具有微處理器需處理的任務(wù)量大、PCB板元器件較多、系統不夠穩定等缺點(diǎn)，這給系統的可靠性帶來(lái)了較大的隱患。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機的很多功能單元如加減速控制、微步控制等都走向模塊化，并且具有體積小、重量輕、工作穩定、能夠實(shí)現多軸控制等優(yōu)點(diǎn)，這給步進(jìn)電機控制系統的設計和開(kāi)發(fā)帶來(lái)了很大的方便。
基于以上的考慮，文中利用微控制器AT90CAN128、步進(jìn)電機運動(dòng)控制芯片TMC429和步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片TMC262設計了一種控制驅動(dòng)一體化的3軸步進(jìn)電機控制系統。通信方面設計了RS485接口，用于上位機與控制驅動(dòng)板之間的通信，增加了CAN接口，為后續多軸聯(lián)動(dòng)、生產(chǎn)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化作功能擴展。

1 系統的總體設計
設計的步進(jìn)電機控制系統結構框圖如圖1所示。

在該系統中設計完成的控制兼驅動(dòng)集成板可作為下位機，PC、PLC和DSP等可作為上位機，上、下位機通過(guò)RS485或CAN總線(xiàn)等通訊接口進(jìn)行通訊。上位機主要負責發(fā)送驅動(dòng)裝置(步進(jìn)電機)的運動(dòng)控制指令(如位移、速度、加速度等)，下位機(微控制器)負責接收指令并對指令進(jìn)行處理以輸出步進(jìn)電機運動(dòng)所需要的脈沖信號和方向信號。

2 硬件部分設計
本系統中微控制器采用AT90CAN128，專(zhuān)用控制芯片采用了TRINAMIC公司生產(chǎn)的TMC429和TMC262。系統拋棄了傳統的“CPU+外置CAN協(xié)議轉換器”的方案，選擇內置CAN模塊的AT90CAN128主要考慮到系統的穩定性、減少電路板元器件的數量、提高系統的集成度和靈活性。TMC429提供了所有與數字運動(dòng)控制有關(guān)的功能，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。這些功能如果讓微處理器來(lái)完成，則需占用大量的系統資源，所以它的使用可將微處理器解放出來(lái)，以把資源用在接口的擴展和對步進(jìn)電機的更高層次的控制上。此外，在TMC262與電機之間還需配置H橋，系統中選用的是互補型MOSFET器件FDD8424H芯片。由于一片步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片TMC262只能驅動(dòng)一路步進(jìn)電機，且需要與4片FDD8424H芯片使用，故系統中共使用了3片TMC262芯片及12片FDD8424H芯片。
2．1 核心控制芯片簡(jiǎn)介
2．1．1 AT90CAN128單片機簡(jiǎn)介
AT90CAN128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執行時(shí)間，該單片機的數據吞吐率高達1 MIPS／MHz，從而緩解了系統在功率和處理速度之間的矛盾。該單片機大部分引腳與MEGA128兼容，內部結構在繼承MEGA128的資源基礎上進(jìn)行了改進(jìn)，但其最大的特色還在于具有了符合CAN2．0A和CAN2．0B標準的全功能CAN外設模塊。AT90CAN128采用Mob(消息對象)方式進(jìn)行數據的發(fā)送和接受，共有15個(gè)Mob，它們具有相同的屬性。
2．1．2 TMC262步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片簡(jiǎn)介
TMC262是一款具有高細分率的兩相步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片，適用于雙極性步進(jìn)電機的驅動(dòng)。該芯片同時(shí)帶有專(zhuān)利技術(shù)stallguard功能和專(zhuān)利技術(shù)coolstep功能，前者可以實(shí)現無(wú)需傳感器精確測試電機負載，后者可以根據電機的負載自動(dòng)調節驅動(dòng)芯片輸出的電流，避免因為超載而丟步，減少電機的發(fā)熱量，和其他驅動(dòng)芯片相比可節省75％的能量。使用該芯片可通過(guò)兩種方式控制電機：S／D(Step／Direction)模式和SPI模式。芯片內置的微步表提供了與電機電流匹配的正弦值和余弦值。TMC262的低功率、高效率、體積小的設計理念使其成為嵌入式運動(dòng)控制甚至電池供電設備的完美選擇，內部集成的DAC功能可實(shí)現對電流的微步控制。在使用芯片之前，需通過(guò)SPI接口對TMC262進(jìn)行相關(guān)的配置。
2．1．3 TMC429步進(jìn)電機控制芯片簡(jiǎn)介
TMC429是TRINAMIC公司開(kāi)發(fā)的小尺寸、高性?xún)r(jià)比的二相步進(jìn)電機控制芯片，可以控制多達3軸步進(jìn)電機。與TMC428不同，該芯片的CPU時(shí)鐘頻率可高達32 MHz。一旦初始化，TMC429能按照設定的目標位置和目標速度自動(dòng)運行各種實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)，且目標位置和速度可隨時(shí)更改。它可以減少外圍電路，減少電機控制軟件設計的工作量，降低開(kāi)發(fā)成本，縮短研發(fā)時(shí)間。和TMC262一樣，在使用芯片之前，也需通過(guò)SPI接口對TMC429進(jìn)行相關(guān)的配置。
TMC429有4種工作模式，可單獨為每個(gè)步進(jìn)電機編程。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。對于位置應用，RAMP模式比較合適，而對于持續的速度應用，VELOCITY模式比較合適。在RAMP模式，用戶(hù)只要設置位置參數，TMC429計算出一個(gè)矩形速度曲線(xiàn)然后驅動(dòng)電機自主地運行至目標位置，而且在運動(dòng)期間，位置可以被任意改變。SOFT模式與RAMP模式比較類(lèi)似，只是在速度減少時(shí)，速度以指數曲線(xiàn)下降。在VELOCITY模式，目標速度被設置，運行時(shí)TMC429會(huì )考慮用戶(hù)定義的速度和加速度的極限。在HOLD模式，用戶(hù)設置目標速度，但是TMC429忽略速度和加速度的任何限制，去實(shí)現完全由用戶(hù)設定的任意速度曲線(xiàn)。此外，TMC429提供了中斷機制，用戶(hù)可根據具體應用要求進(jìn)行設置。
微處理器通過(guò)發(fā)送和接收固定長(cháng)度的數據包對TMC429的寄存器和片內RAM進(jìn)行讀寫(xiě)操作。利用TMC429自帶的二個(gè)獨立的SPI口，可分別與微處理器和帶有SPI接口的步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片相連以構成完整的系統。每次微控制器發(fā)送數據包給TMC429的同時(shí)，微控制器也接受到來(lái)自TMC429的數據包。
微控制器與TMC429之間的通信數據包如圖2和圖3所示。

備注：
RRS：寄存器／RAM選擇位(RRS=0：寄存器／RRS=1：RAM)
RW：讀寫(xiě)選擇位(RW=1：讀／RW=0：寫(xiě))

備注：
INT：中斷控制狀態(tài)輸出信號
CDGW(cover dategram waiting)：(無(wú)握手信號時(shí)為0)
RS1、RS2和RS3：限位開(kāi)關(guān)的設置(未激活時(shí)為0)
xEQt1、xEQt2和xEQt3：指示相應的步進(jìn)電機是否到達目標位置