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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(hào)輸入口；和TMC428完全兼容
摘 要：專(zhuān)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(shí)現(xiàn)3軸聯(lián)動(dòng)以及獨(dú)立動(dòng)作�？纱蟠鬁p少外部電路的設(shè)計(jì)，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(gè)電機(jī)的控制，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中自然會(huì)增加開(kāi)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(kāi)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(jì)的工作量，降低開(kāi)發(fā)成本，縮短研發(fā)時(shí)間。
構(gòu)成3軸步進(jìn)系統(tǒng)的控制和驅(qū)動(dòng)功能，該控制系統(tǒng)具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，內(nèi)部可構(gòu)成虛擬閉環(huán)等許多優(yōu)點(diǎn)。IO部分可以由其上位的微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
1． 主要性能
TMC429是小尺寸、高性?xún)r(jià)比的二相步進(jìn)電機(jī)控制芯片。它帶有二個(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(dòng)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(guò)SPI接口給定。TMC429提供了所有與數(shù)字運(yùn)動(dòng)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(lái)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(lái)，以把資源用在接口的擴(kuò)展和對(duì)步進(jìn)電機(jī)的更高層次的控制上。此外，TMC236也是TRINAMIC公司開(kāi)發(fā)的帶有串行接口的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。3個(gè)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(gè)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(guò)SPI接口與它們相連接，以同時(shí)控制3個(gè)二相步進(jìn)電機(jī)。
TMC429的主要特點(diǎn)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(dú)立運(yùn)行
● 與微控制芯片和驅(qū)動(dòng)芯片通過(guò)簡(jiǎn)單的SPI通訊，使用簡(jiǎn)單，便于構(gòu)成虛擬的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)，控制器可以時(shí)刻得知驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)；也可以輸出step/dir控制信號(hào)
● 寬范圍時(shí)鐘頻率，CUP時(shí)鐘頻率可高達(dá)32MHz
● 內(nèi)有24bit位置計(jì)數(shù)器
● 根據(jù)微處理器給定的電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)（位置，速度、加速度），依照梯形或三角形的速度由線(xiàn)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖波形和順序，來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行位置和速度控制。可以在電機(jī)運(yùn)行過(guò)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(shí)現(xiàn)64，32，16，8，4，2，1。每個(gè)電機(jī)可分別選擇其需要的微步分辨率。滿(mǎn)步頻率最高達(dá)20kHz。
● 通過(guò)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�？刂齐姍C(jī)工作可在8個(gè)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(gè)單元的寄存器和片內(nèi)RAM構(gòu)成的。其內(nèi)部包括二個(gè)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(guò)發(fā)送和接收固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包對(duì)TMC429寄存器和RAM進(jìn)行讀寫(xiě)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(chǔ)電機(jī)總體配置參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，而片內(nèi)RAM用于存儲(chǔ) 驅(qū)動(dòng)串行接口的配置和微步表。電機(jī)總體參數(shù)是指對(duì)驅(qū)動(dòng)器菊花鏈中TMC236的配置。運(yùn)動(dòng)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(gè)地址的數(shù)據(jù)空間，每個(gè)地址可存儲(chǔ)24位寬的數(shù)據(jù)，前32位地址數(shù)據(jù)是對(duì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)包到菊花鏈的每個(gè)TMC2X6或TMC2X9驅(qū)動(dòng)芯片，也就是說(shuō)，驅(qū)動(dòng)串行接口經(jīng)過(guò)初始化后便可以自動(dòng)工作，而不需要微處理器的參與。只要把位置、速度寫(xiě)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(shí)序。這樣，微處理器就可以在任何時(shí)間讀寫(xiě)寄存器和片內(nèi)RAM的數(shù)據(jù)。
通過(guò)波形發(fā)生器可以處理存儲(chǔ)在寄存器里的運(yùn)動(dòng)參數(shù)并計(jì)算電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)。脈沖發(fā)生器則根據(jù)波形發(fā)生器計(jì)算得到的速度來(lái)產(chǎn)生步進(jìn)脈沖。步進(jìn)脈沖產(chǎn)生時(shí)TMC429的驅(qū)動(dòng)串行接口將自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)包給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器菊花鏈以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)采用微步控制時(shí)，微步單元即開(kāi)始處理根據(jù)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的步進(jìn)脈沖，同時(shí)根據(jù)選擇的微步分辨率來(lái)產(chǎn)生全步、半步和微步脈沖，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)串口送給驅(qū)動(dòng)器菊花鏈。
驅(qū)動(dòng)串行接口是TMC429與驅(qū)動(dòng)器菊花鏈之間的通信接口。從TMC429到驅(qū)動(dòng)器之間的串行數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度是可配置的，以適應(yīng)由不同類(lèi)型和廠(chǎng)家的電路構(gòu)成的SPI環(huán)形結(jié)構(gòu)，最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為64bit。初始化后，TMC429與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的通信是自動(dòng)完成的。不同類(lèi)型的帶有SPI接口的驅(qū)動(dòng)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(chǎng)商生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器，也可以通過(guò)附加的器件連接常用的并口驅(qū)動(dòng)器。甚至帶有步進(jìn)、方向輸入的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也可以由TMC429來(lái)控制。將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TMC2X6或TMC2X9非常簡(jiǎn)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(diǎn)。
4.2 狀態(tài)檢測(cè)
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全和控制是很重要的，TMC429就提供有狀態(tài)檢測(cè)功能。每次每處理器發(fā)送數(shù)據(jù)包給TMC429的同時(shí)，TMC429會(huì)返回?cái)?shù)據(jù)給微處理器。大部分帶有串行口的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路都提供有不同的狀態(tài)位（工作，不工作等）和錯(cuò)誤標(biāo)志（短路，開(kāi)路，溫度過(guò)高等）。這樣，TMC429就可以在任何時(shí)候提供當(dāng)前電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和工作模式以及各狀態(tài)位。從電機(jī)驅(qū)動(dòng)菊花鏈返回給TMC429的數(shù)據(jù)包有48bit長(zhǎng)。TMC429將其放在二個(gè)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中時(shí)間檢測(cè)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(jiǎn)單，廉價(jià)的單片機(jī)做系統(tǒng)的微處理器，結(jié)合TMC429和驅(qū)動(dòng)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(dòng)。其中TMC236，TMC246內(nèi)部本身集成了HVCMOSFET構(gòu)成的雙橋驅(qū)動(dòng)電路，采用恒流斬波驅(qū)動(dòng)方式來(lái)驅(qū)動(dòng)雙極性?xún)上嗖竭M(jìn)電機(jī)，并具有功耗低，效率高的優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)如圖4所示
．閉環(huán)控制方案：
TMC423或TMC424是TRINAMIC開(kāi)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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