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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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。
圖一
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(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(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。
圖二
