基于TMC428的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用MCS51單片機(jī)作為微處理器，用于系統(tǒng)的控制和指令發(fā)布，這是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)的各種邏輯和數(shù)量計(jì)算都有單片機(jī)完成。由于系統(tǒng)采用SPI串行通信方式，而51單片機(jī)本身不帶有SPI接口，所以在單片機(jī)與TMC428必須獨(dú)立SPI專用接口模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這里采用MCP2510SPI接口芯片。上電以后，單片機(jī)首先對(duì)TMC428進(jìn)行初始化，設(shè)置初始的位置、速度以及加速度等運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)際要求在線更改以適應(yīng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)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(shí)要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算。采用3個(gè)TMC236構(gòu)成一個(gè)菊花鏈，每個(gè)TMC236控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)初始化完成后，TMC428可以脫離單片機(jī)自動(dòng)地把控制數(shù)據(jù)發(fā)送給TMC236實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，但由于TMC236所發(fā)出的控制信號(hào)比較弱，不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以在TMC236發(fā)出的控制信號(hào)必須進(jìn)過功率放大才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖二所示。

圖二

三、硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)單片機(jī)選用AT89S52，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率采用16MHZ，由于TMC428的最高工作頻率能夠達(dá)到16MHZ，但TMC236的PWM操作頻率不能超過100KHZ，所以為了方便設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用分頻電路對(duì)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(fù)雜性，系統(tǒng)由單一+5V直流電源供電。由于本系統(tǒng)中TMC428不使用內(nèi)部中斷，所以3個(gè)參考開關(guān)輸入必須接地，同時(shí)沒有使用3.3V電源，所以V33引腳必須通過一個(gè)470nF的電容接地，+5V輸入電源要通過一個(gè)100nF的電容濾波，以保證TMC428的可靠運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)SPI接口的數(shù)據(jù)輸入線SDI_S引腳要通過一個(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(hào)與CSN引腳相連。控制數(shù)據(jù)通過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通過各自的SDO――SDI兩個(gè)引腳相串聯(lián)。在TMC236電路設(shè)計(jì)中，20KHZ的外部時(shí)鐘從OSC引腳輸入。由于TMC236內(nèi)部集成了HVCMOSFET構(gòu)成的雙全橋驅(qū)動(dòng)電路，它采用恒流斬波驅(qū)動(dòng)方式來驅(qū)動(dòng)雙極性二相步進(jìn)電機(jī)，其中電機(jī)的供應(yīng)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(tǒng)中采用+12V的直流電源作為電機(jī)兩相繞組的勵(lì)磁電源。TMC236的OA1和OA2連接步進(jìn)電機(jī)的A相勵(lì)磁繞組，而OB1和OB2連接步進(jìn)電機(jī)的B相勵(lì)磁繞組。另外，為了限制電機(jī)的最大電流，必須對(duì)TMC236雙全橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置限流電阻Rs，Rs電阻的設(shè)置可根據(jù)如下計(jì)算公式計(jì)算：

　　其中Imax為電機(jī)所允許的最大電流，在這里Imax=1030mA，所以計(jì)算電阻Rs=0.33Ω。本系統(tǒng)采用脈沖變壓器作為功率放大裝置直接對(duì)步進(jìn)電機(jī)供電。系統(tǒng)的主電路如圖三所示。

圖三