基于專用控制芯片的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了降低研發(fā)成本，減輕微控制器的壓力，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，提出了一種基于專用控制芯片的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該運(yùn)動控制系統(tǒng)中主要采用了微控制器AT90CAN128、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片TMC262和步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制芯片TMC429。一旦初始化，系統(tǒng)可同時(shí)控制3個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)，并且可自主完成各種實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)。測試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、性價(jià)比高、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果和要求。
關(guān)鍵詞：TMC262；TMC429；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)；專用控制芯片

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置。步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)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(yùn)動控制系統(tǒng)中，對于步進(jìn)電機(jī)的精度和穩(wěn)定性要求更高。所以說，對于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)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。近年來不少專家學(xué)者研制出性能不錯(cuò)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，然而這些控制系統(tǒng)具有微處理器需處理的任務(wù)量大、PCB板元器件較多、系統(tǒng)不夠穩(wěn)定等缺點(diǎn)，這給系統(tǒng)的可靠性帶來了較大的隱患。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)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(wěn)定、能夠?qū)崿F(xiàn)多軸控制等優(yōu)點(diǎn)，這給步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)帶來了很大的方便。
基于以上的考慮，文中利用微控制器AT90CAN128、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制芯片TMC429和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片TMC262設(shè)計(jì)了一種控制驅(qū)動一體化的3軸步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。通信方面設(shè)計(jì)了RS485接口，用于上位機(jī)與控制驅(qū)動板之間的通信，增加了CAN接口，為后續(xù)多軸聯(lián)動、生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)化作功能擴(kuò)展。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)完成的控制兼驅(qū)動集成板可作為下位機(jī)，PC、PLC和DSP等可作為上位機(jī)，上、下位機(jī)通過RS485或CAN總線等通訊接口進(jìn)行通訊。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)發(fā)送驅(qū)動裝置(步進(jìn)電機(jī))的運(yùn)動控制指令(如位移、速度、加速度等)，下位機(jī)(微控制器)負(fù)責(zé)接收指令并對指令進(jìn)行處理以輸出步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動所需要的脈沖信號和方向信號。

2 硬件部分設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中微控制器采用AT90CAN128，專用控制芯片采用了TRINAMIC公司生產(chǎn)的TMC429和TMC262。系統(tǒng)拋棄了傳統(tǒng)的“CPU+外置CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換器”的方案，選擇內(nèi)置CAN模塊的AT90CAN128主要考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、減少電路板元器件的數(shù)量、提高系統(tǒng)的集成度和靈活性。TMC429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，在TMC262與電機(jī)之間還需配置H橋，系統(tǒng)中選用的是互補(bǔ)型MOSFET器件FDD8424H芯片。由于一片步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片TMC262只能驅(qū)動一路步進(jìn)電機(jī)，且需要與4片F(xiàn)DD8424H芯片使用，故系統(tǒng)中共使用了3片TMC262芯片及12片F(xiàn)DD8424H芯片。
2．1 核心控制芯片簡介
2．1．1 AT90CAN128單片機(jī)簡介
AT90CAN128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)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(zhí)行時(shí)間，該單片機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS／MHz，從而緩解了系統(tǒng)在功率和處理速度之間的矛盾。該單片機(jī)大部分引腳與MEGA128兼容，內(nèi)部結(jié)構(gòu)在繼承MEGA128的資源基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)的全功能CAN外設(shè)模塊。AT90CAN128采用Mob(消息對象)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jī)驅(qū)動芯片簡介
TMC262是一款具有高細(xì)分率的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片，適用于雙極性步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。該芯片同時(shí)帶有專利技術(shù)stallguard功能和專利技術(shù)coolstep功能，前者可以實(shí)現(xiàn)無需傳感器精確測試電機(jī)負(fù)載，后者可以根據(jù)電機(jī)的負(fù)載自動調(diào)節(jié)驅(qū)動芯片輸出的電流，避免因?yàn)槌d而丟步，減少電機(jī)的發(fā)熱量，和其他驅(qū)動芯片相比可節(jié)省75％的能量。使用該芯片可通過兩種方式控制電機(jī)：S／D(Step／Direction)模式和SPI模式。芯片內(nèi)置的微步表提供了與電機(jī)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(shè)計(jì)理念使其成為嵌入式運(yùn)動控制甚至電池供電設(shè)備的完美選擇，內(nèi)部集成的DAC功能可實(shí)現(xiàn)對電流的微步控制。在使用芯片之前，需通過SPI接口對TMC262進(jìn)行相關(guān)的配置。
2．1．3 TMC429步進(jìn)電機(jī)控制芯片簡介
TMC429是TRINAMIC公司開發(fā)的小尺寸、高性價(jià)比的二相步進(jìn)電機(jī)控制芯片，可以控制多達(dá)3軸步進(jìn)電機(jī)。與TMC428不同，該芯片的CPU時(shí)鐘頻率可高達(dá)32 MHz。一旦初始化，TMC429能按照設(shè)定的目標(biāo)位置和目標(biāo)速度自動運(yùn)行各種實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù)，且目標(biāo)位置和速度可隨時(shí)更改。它可以減少外圍電路，減少電機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)的工作量，降低開發(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(dú)為每個(gè)步進(jìn)電機(jī)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(yīng)用，RAMP模式比較合適，而對于持續(xù)的速度應(yīng)用，VELOCITY模式比較合適。在RAMP模式，用戶只要設(shè)置位置參數(shù)，TMC429計(jì)算出一個(gè)矩形速度曲線然后驅(qū)動電機(jī)自主地運(yùn)行至目標(biāo)位置，而且在運(yùn)動期間，位置可以被任意改變。SOFT模式與RAMP模式比較類似，只是在速度減少時(shí)，速度以指數(shù)曲線下降。在VELOCITY模式，目標(biāo)速度被設(shè)置，運(yùn)行時(shí)TMC429會考慮用戶定義的速度和加速度的極限。在HOLD模式，用戶設(shè)置目標(biāo)速度，但是TMC429忽略速度和加速度的任何限制，去實(shí)現(xiàn)完全由用戶設(shè)定的任意速度曲線。此外，TMC429提供了中斷機(jī)制，用戶可根據(jù)具體應(yīng)用要求進(jìn)行設(shè)置。
微處理器通過發(fā)送和接收固定長度的數(shù)據(jù)包對TMC429的寄存器和片內(nèi)RAM進(jìn)行讀寫操作。利用TMC429自帶的二個(gè)獨(dú)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)動芯片相連以構(gòu)成完整的系統(tǒng)。每次微控制器發(fā)送數(shù)據(jù)包給TMC429的同時(shí)，微控制器也接受到來自TMC429的數(shù)據(jù)包。
微控制器與TMC429之間的通信數(shù)據(jù)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：讀寫選擇位(RW=1：讀／RW=0：寫)

備注：
INT：中斷控制狀態(tài)輸出信號
CDGW(cover dategram waiting)：(無握手信號時(shí)為0)
RS1、RS2和RS3：限位開關(guān)的設(shè)置(未激活時(shí)為0)
xEQt1、xEQt2和xEQt3：指示相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)是否到達(dá)目標(biāo)位置