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電機運動控制系統(tǒng)設計方案。該運動控制系統(tǒng)中主要采用了微控制器AT90CAN128、步進電機驅動芯片TMC262和步進電機運動控制芯片TMC429。一旦初始化，系統(tǒng)可同時控制3個兩相步進電機，并且可自主完成各種實時關鍵任務。測試結果表明所設計的控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、性價比高、易于控制等優(yōu)點，達到了預期的設計效果和要求。
關鍵詞：TMC262；TMC429；單片機；步進電機；專用控制芯片

步進電機是一種將電脈沖信號轉化為角位移或線位移的電磁機械裝置。步進電機的穩(wěn)定性和可靠性直接影響到工業(yè)控制領域的精度，特別是在點膠點焊等高精度運動控制系統(tǒng)中，對于步進電機的精度和穩(wěn)定性要求更高。所以說，對于步進電機控制系統(tǒng)的研究，不論是在實際效益還是理論價值方面意義都將是巨大的。近年來不少專家學者研制出性能不錯的步進電機控制系統(tǒng)，然而這些控制系統(tǒng)具有微處理器需處理的任務量大、PCB板元器件較多、系統(tǒng)不夠穩(wěn)定等缺點，這給系統(tǒng)的可靠性帶來了較大的隱患。隨著電子技術的發(fā)展，步進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(wěn)定、能夠實現(xiàn)多軸控制等優(yōu)點，這給步進電機控制系統(tǒng)的設計和開發(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、步進電機運動控制芯片TMC429和步進電機驅動芯片TMC262設計了一種控制驅動一體化的3軸步進電機控制系統(tǒng)。通信方面設計了RS485接口，用于上位機與控制驅動板之間的通信，增加了CAN接口，為后續(xù)多軸聯(lián)動、生產線網(wǎng)絡化作功能擴展。

1 系統(tǒng)的總體設計
設計的步進電機控制系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

在該系統(tǒng)中設計完成的控制兼驅動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RS485或CAN總線等通訊接口進行通訊。上位機主要負責發(fā)送驅動裝置(步進電機)的運動控制指令(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行處理以輸出步進電機運動所需要的脈沖信號和方向信號。

2 硬件部分設計
本系統(tǒng)中微控制器采用AT90CAN128，專用控制芯片采用了TRINAMIC公司生產的TMC429和TMC262。系統(tǒng)拋棄了傳統(tǒng)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(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)字運動控制有關的功能，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。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展和對步進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(tǒng)中選用的是互補型MOSFET器件FDD8424H芯片。由于一片步進電機驅動芯片TMC262只能驅動一路步進電機，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單片機簡介
AT90CAN128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，該單片機的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS／MHz，從而緩解了系統(tǒng)在功率和處理速度之間的矛盾。該單片機大部分引腳與MEGA128兼容，內部結構在繼承MEGA128的資源基礎上進行了改進，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)方式進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受，共有15個Mob，它們具有相同的屬性。
2．1．2 TMC262步進電機驅動芯片簡介
TMC262是一款具有高細分率的兩相步進電機驅動芯片，適用于雙極性步進電機的驅動。該芯片同時帶有專利技術stallguard功能和專利技術coolstep功能，前者可以實現(xiàn)無需傳感器精確測試電機負載，后者可以根據(jù)電機的負載自動調節(jié)驅動芯片輸出的電流，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：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進行相關的配置。
2．1．3 TMC429步進電機控制芯片簡介
TMC429是TRINAMIC公司開發(fā)的小尺寸、高性價比的二相步進電機控制芯片，可以控制多達3軸步進電機。與TMC428不同，該芯片的CPU時鐘頻率可高達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運行各種實時關鍵任務，且目標位置和速度可隨時更改。它可以減少外圍電路，減少電機控制軟件設計的工作量，降低開發(fā)成本，縮短研發(fā)時間。和TMC262一樣，在使用芯片之前，也需通過SPI接口對TMC429進行相關的配置。
TMC429有4種工作模式，可單獨為每個步進電機編程。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(xù)的速度應用，VELOCITY模式比較合適。在RAMP模式，用戶只要設置位置參數(shù)，TMC429計算出一個矩形速度曲線然后驅動電機自主地運行至目標位置，而且在運動期間，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，速度以指數(shù)曲線下降。在VELOCITY模式，目標速度被設置，運行時TMC429會考慮用戶定義的速度和加速度的極限。在HOLD模式，用戶設置目標速度，但是TMC429忽略速度和加速度的任何限制，去實現(xiàn)完全由用戶設定的任意速度曲線。此外，TMC429提供了中斷機制，用戶可根據(jù)具體應用要求進行設置。
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RAM進行讀寫操作。利用TMC429自帶的二個獨立的SPI口，可分別與微處理器和帶有SPI接口的步進電機驅動芯片相連以構成完整的系統(tǒng)。每次微控制器發(fā)送數(shù)據(jù)包給TMC429的同時，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)：(無握手信號時為0)
RS1、RS2和RS3：限位開關的設置(未激活時為0)
xEQt1、xEQt2和xEQt3：指示相應的步進電機是否到達目標位置