TMC428型3軸步進(jìn)電機(jī)控制器的原理及應(yīng)用

    摘要：TMC428是TRINAMIC公司最新開發(fā)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制器，它可減少電機(jī)控制軟件設(shè)計的工作量，降低開發(fā)成本。以它為核心（包括TMC236型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器）構(gòu)成的3軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)具有尺寸小、控制簡單的優(yōu)點，可同時控制3個兩相步進(jìn)電機(jī)。

    關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī) 控制器 TMC428

1 主要性能特點

TMC428是小尺寸、高性價比的二相步進(jìn)電機(jī)控制芯片。它帶有二個獨立的SPI口，可分別與微處理器和帶有SPI接口的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器相連以構(gòu)成完整的系統(tǒng)。其控制指令可由微處理器通過SPI接口給定。TMC428提供了所有與數(shù)字運(yùn)動控制有關(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(jī)常用的控制功能。這些功能如果讓微處理器來完成，則需占用大量的系統(tǒng)資源，所以它的使用可將微處理器解放出來，以把資源用在接口的擴(kuò)展和對步進(jìn)電機(jī)的更高層次的控制上。此外，TMC236也是TRINAMIC公司開發(fā)的帶有串行接口的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。3個TMC236連結(jié)構(gòu)成的菊花鏈（Daisychain）結(jié)構(gòu)便是一種基于串行通訊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以使多個具有串行通信接口的設(shè)備以接力的方式傳遞數(shù)據(jù)。TMC428可以通過SPI接口與它們相連接，以同時控制3個二相步進(jìn)電機(jī)。

TMC428的主要特點如下：

·根據(jù)不同的應(yīng)用提供有SSOP16、SOP24、DIL20三種封裝可選形式。

·可以同時對3個二相步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，所有電機(jī)可獨立工作。

·根據(jù)微處理器給定的電機(jī)運(yùn)動參數(shù)（位置，速度、加速度），依照梯形或三角形的速度由線產(chǎn)生驅(qū)動脈沖波形和順序，來對電機(jī)進(jìn)行位置和速度控制。它有4種工作模式。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。

·可微步控制。采用6位分辨率的微步細(xì)分。包括滿步、半步直至64細(xì)分。每個電機(jī)可分別選擇其需要的微步分辨率。滿步頻率最高達(dá)20kHz。

·通過可編程電流比例捉控制，可以使電機(jī)在不同的工作狀態(tài)下采用大小不同的工作電流。控制電機(jī)工作可在8個檔次上，分別是最大電流的12.5%、25%、37.5%、50%、62.5%、75%、87.5%、100%。

·可以對多種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括最大加速度、最大速度、加速運(yùn)行和位置保持時電機(jī)線圈的電流大小、微步細(xì)分分辨率、波形發(fā)生器和脈沖發(fā)生器的參數(shù)等20個多個參數(shù)。

·可在線改變運(yùn)動參數(shù)（位置、速度、加速度）。

·帶有4線串行SPI接口，串行通信使用32bit數(shù)據(jù)長度的簡單協(xié)議。使用簡單。

·可通過另一個SPI口與電機(jī)驅(qū)動器連接，其數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)1Mbit/s。

·低功耗（1.25mA,4MHz），時鐘輸入范圍寬且時鐘頻率最高可達(dá)16MHz。

·3.3V或5V的CMOS/TTL兼容電平供電。

2 引腳功能

圖1所示為TMC428采用SSOP16封裝時的引腳排列，各個引腳的功能如下：

1，2，3腳（REF1，2，3）：參考開關(guān)輸入1，2，3，可以外接限位開關(guān)，以引發(fā)TMC428內(nèi)部中斷功能。本文沒有使用該功能。

4腳（TEST）：測試腳。使用時接地，接地應(yīng)盡可能在引腳附近。

5腳（CLK）：時鐘輸入。

6腳（nSCS_C）:SPI控制接口的片選信號輸入，低電平有效。

7腳（SCK_C）:SPI控制接口的時鐘輸入。

8腳（SDI_C）:SPI控制接口的數(shù)據(jù)輸入。

9腳（SDO_C）:SPI控制接口的數(shù)據(jù)輸出，高阻。

10腳（SDO_S）:驅(qū)動SPI接口的數(shù)據(jù)輸出。

11腳（SCK_S）：驅(qū)動SPI接口的時鐘輸出。

12腳（nSCS_S）：驅(qū)動SPI接口的片選信號輸出。

13腳（V5）：+5V電源。

14腳（V33）：+3.3V電源，應(yīng)外接470nF電容器。

15腳（GND）：地。

16腳（SDI_S）：驅(qū)動SPI接口數(shù)據(jù)輸入，應(yīng)接上拉或下拉電阻器。

3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

TMC428的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。TMC428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。

TMC428一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(jìn)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(jī)總體配置參數(shù)和運(yùn)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(jī)總體參數(shù)是指對驅(qū)動器菊花鏈中TMC236的配置。運(yùn)動參數(shù)包括各電機(jī)的當(dāng)前位置、目標(biāo)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(xì)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(xì)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(jìn)指定的寄存器就可以控制電機(jī)。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(yùn)動參數(shù)并計算電機(jī)運(yùn)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(jìn)脈沖。步進(jìn)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動器菊花鏈以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)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(jìn)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(jìn)電機(jī)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(jìn)行連接。

4 應(yīng)用

4．1 兼容性

TMC428與大多數(shù)廠商生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路兼容。它可以直接連接帶有SPI口的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，也可以通過附加的器件連接常用的并口驅(qū)動器。甚至帶有步進(jìn)、方向輸入的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器也可以由TMC428來控制。將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路TMC236非常簡單地連接成串行菊花鏈結(jié)構(gòu)，用TMC428構(gòu)成3軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制可更好地發(fā)揮TMC428的特點。

4．2 狀態(tài)檢測

實時監(jiān)測電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)對整個系統(tǒng)的安全和控制是很重要的，TMC428就提供有狀態(tài)檢測功能。每次每處理器發(fā)送數(shù)據(jù)包給TMC428的同時，TMC428會返回數(shù)據(jù)給微處理器。大部分帶有串行口的電機(jī)驅(qū)動電路都提供有不同的狀態(tài)位（工作，不工作等）和錯誤標(biāo)志（短路，開路，溫度過高等）。這樣，TMC428就可以在任何時候提供當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)動參數(shù)和工作模式以及各狀態(tài)位。從電機(jī)驅(qū)動菊花鏈返回給TMC428的數(shù)據(jù)包有48bit長。TMC428將其放在二個24bit的寄存器中。這樣，微處理器就可以直接讀取這些寄存器里的信息。

圖3

5 系統(tǒng)構(gòu)成的應(yīng)用

筆者采用DSP作為系統(tǒng)的微處理器，結(jié)合TMC428和TMC236構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)。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(jìn)電機(jī)，并具有功耗低、效率高的特點。圖3所示就是3個TMC236構(gòu)成3軸電機(jī)驅(qū)動器并由TMC428進(jìn)行控制的原理電路圖。

由圖3可見，采用專用步進(jìn)電機(jī)運(yùn)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(qiáng)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(jī)的驅(qū)動。實驗證明該驅(qū)動器控制的步時電機(jī)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。