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3軸步進(jìn)電機(jī)控制芯片-TMC429的原理應(yīng)用及閉環(huán)控制方案
---- 集成三軸步進(jìn)控制，帶有SPI和step/dir控制信號輸入口；和TMC428完全兼容
摘 要：專用步進(jìn)電機(jī)控制器可以控制多達(dá)3軸步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)部集成波形發(fā)生器，脈沖發(fā)生器，可以實現(xiàn)3軸聯(lián)動以及獨立動作�？纱蟠鬁p少外部電路的設(shè)計，減輕上位微處理器的負(fù)擔(dān)。
關(guān)鍵詞： SPI ； 控制 ； 波形發(fā)生器 ； 脈沖發(fā)生器
目前許多設(shè)備上需要用到多個電機(jī)的控制，在設(shè)計開發(fā)過程中自然會增加開發(fā)難度，而且難度隨著控制軸數(shù)的增多而增大。TMC429是TRINAMIC公司開發(fā)的3軸步進(jìn)電機(jī)控制芯片，它可以減少外圍電路，減少電機(jī)控制軟件設(shè)計的工作量，降低開發(fā)成本，縮短研發(fā)時間。
構(gòu)成3軸步進(jìn)系統(tǒng)的控制和驅(qū)動功能，該控制系統(tǒng)具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)部可構(gòu)成虛擬閉環(huán)等許多優(yōu)點。IO部分可以由其上位的微控制器來實現(xiàn)。
1． 主要性能
TMC429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。TMC429提供了所有與數(shù)字運動控制有關(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)。TMC429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)。
TMC429的主要特點如下：
● 可以控制多達(dá)3軸的2相步進(jìn)電機(jī)而且各軸之間可以獨立運行
● 與微控制芯片和驅(qū)動芯片通過簡單的SPI通訊，使用簡單，便于構(gòu)成虛擬的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，控制器可以時刻得知驅(qū)動器的狀態(tài)；也可以輸出step/dir控制信號
● 寬范圍時鐘頻率，CUP時鐘頻率可高達(dá)32MHz
● 內(nèi)有24bit位置計數(shù)器
● 根據(jù)微處理器給定的電機(jī)運動參數(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�？梢栽陔姍C(jī)運行過程中更改電機(jī)參數(shù)如速度，加速度，目標(biāo)位置等。
● 可微步控制。采用6位分辨率的微步細(xì)分可實現(xiàn)64，32，16，8，4，2，1。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% 
TMC429的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。TMC429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。
TMC429一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TMC429寄存器和RAM進(jìn)行讀寫操作。TMC429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，TMC429即可自動發(fā)送數(shù)據(jù)包到菊花鏈的每個TMC2X6或TMC2X9驅(qū)動芯片，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)。TMC429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(jī)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(jìn)脈沖。步進(jìn)脈沖產(chǎn)生時TMC429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TMC429與驅(qū)動器菊花鏈之間的通信接口。從TMC429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，TMC429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TMC429進(jìn)行連接。
4、應(yīng)用
4.1 兼容性
TMC429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TMC429來控制。將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片TMC2X6或TMC2X9非常簡單地連接成串行菊花鏈結(jié)構(gòu)，用TMC429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TMC429的特點。
4.2 狀態(tài)檢測
實時監(jiān)測電機(jī)運行狀態(tài)對整個系統(tǒng)的安全和控制是很重要的，TMC429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TMC429的同時，TMC429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，TMC429就可以在任何時候提供當(dāng)前電機(jī)的運動參數(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TMC429的數(shù)據(jù)包有48bit長。TMC429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，比如在可以電機(jī)運動過程中時間檢測電機(jī)位置，速度，加速度甚至電流等參數(shù)。
5.系統(tǒng)的構(gòu)成
采用RAM或簡單，廉價的單片機(jī)做系統(tǒng)的微處理器，結(jié)合TMC429和驅(qū)動芯片TMC2X6（TMC236，239）或TMC2X9（TMC239，249）構(gòu)成3軸步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動。其中TMC236，TMC246內(nèi)部本身集成了HVCMOSFET構(gòu)成的雙橋驅(qū)動電路，采用恒流斬波驅(qū)動方式來驅(qū)動雙極性兩相步進(jìn)電機(jī)，并具有功耗低，效率高的優(yōu)點。整個系統(tǒng)如圖4所示
．閉環(huán)控制方案：
TMC423或TMC424是TRINAMIC開發(fā)的編碼器解碼芯片，可以接收3軸增量式編碼器輸入。
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