基于專用控制芯片的步進電機運動控制系統(tǒng)設計

石星星，吳洪濤

（南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016）

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[1-2]。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(chǎn)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。

圖1 步進電機控制系統(tǒng)總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the stepping motor control system

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(chǎn)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(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[3]。該單片機大部分引腳與MEGA128兼容，內(nèi)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(diào)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(nèi)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(nèi)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[4]。

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(nèi)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。

圖2 微控制器發(fā)送給TMC429的32位數(shù)據(jù)包Fig.2 DATAGRAM sent fromμc to the TMC429

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）

圖3 TMC429反饋給微控制器的32位數(shù)據(jù)包Fig.3 DATAGRAM sent back from the TMC429 toμc

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

2.2 專用控制芯片間的硬件連接

專用控制芯片TMC262和TMC429的連接簡圖[5]如圖4所示。

上圖為TMC429-LI（QFN32封裝）與 TMC262的連接簡圖，TMC429與TMC262的通信方式有SPI模式和step/dir模式，本系統(tǒng)選用后者。CSN_0用于片選TMC429的SPI微控制接口，CSN_1、CSN_2和 CSN_3分別用于片選 3個 TMC262以完成對TMC262的配置。

2.3 CAN總線通訊接口電路設計

系統(tǒng)CAN總線的硬件電路如圖5所示。

圖4 專用控制芯片間的連接簡圖Fig.4 Outline between TMC262 and TMC429

圖5 CAN總線接口電路Fig.5 Circuit principle chart of CAN bus node

CAN接口電路主要由3部分組成：單片機AT90CAN128、高速光耦合器6N137和高速CAN總線收發(fā)器。其中AT90CAN128主要負責內(nèi)部CAN控制器的初始化、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務；6N137起到控制器與工業(yè)現(xiàn)場相隔離的目的，可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力；TJA1050是控制器區(qū)域網(wǎng)絡（CAN）協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，可以為CAN控制器提供差動接收性能。

2.4 RS485總線通訊接口電路設計

系統(tǒng)RS485總線的硬件電路如圖6所示。

圖6 RS485通訊電路原理圖Fig.6 Circuit principle chart of RS485 bus

由于RS－485與TTL電平不兼容，因此兩者之間需要有電平轉換。目前完成此功能的芯片比較多，本系統(tǒng)中采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX485。該芯片內(nèi)有接收器與發(fā)送驅動器，控制簡單，適用于半雙工通訊。為了提高通訊接口的抗干擾能力，在MAX485與單片機輸出端之間接入光電耦合器；同時在A端和B端之間增加了匹配電阻，以吸收總線上的反射信號，保證正常傳輸信號時無毛刺。

3 軟件部分設計

在硬件電路設計制作的基礎上設計了控制系統(tǒng)的軟件。控制系統(tǒng)的所有源代碼均在AVR Studio 4和ICCAVR集成開發(fā)環(huán)境中編譯和調(diào)試。為了便于系統(tǒng)擴展，系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計。

步進電機控制系統(tǒng)的主程序設計流程圖如圖7所示。

圖7 軟件設計的流程圖Fig.7 Flow chart the software design

在軟件設計中，由于專用控制芯片分擔了不少單片機的軟件設計工作，因此通信方面的軟件編程是設計的重點。設計的控制系統(tǒng)擬作為下位機，下位機與上位機的通信選擇了RS485和CAN接口。RS485接口標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，使其具有通用性，但不涉及接插件、電纜等，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議。而這個高層通信協(xié)議的建立既可以采用已有的應用成熟的通信協(xié)議，比如Modbus協(xié)議等，也可以由用戶自定義RS485的通信協(xié)議。本系統(tǒng)采用了Modbus通信協(xié)議。CAN總線節(jié)點的軟件設計主要包括3大部分：CAN節(jié)點初始化、報文發(fā)送和報文接收。

CAN節(jié)點的初始化程序的主要任務就是對總線通信控制器CAN控制器進行合適的配置，以滿足系統(tǒng)運行的要求。CAN控制器的初始化包括了工作方式的設置、ID標志符寄存器的設置、接受屏蔽寄存器的設置、波特率參數(shù)的設置、消息郵箱Mob控制寄存器的設置和中斷允許寄存器的設置等。由于本文設計的步進電機控制系統(tǒng)采用CAN2.0B規(guī)范，需要對CAN接收器進行相應的初始化。在完成初始化配置以后，回到工作狀態(tài)進行正常的通訊任務[6]。

限于篇幅，這里僅給出CAN控制器初始化的部分程序：

void CAN_int（）

{

WDTCR=（1＜＜WDCE）|（1＜＜WDE）； //看門狗初始化

WDTCR=0x0f；

SREG=0x00； //關全局中斷

CANGCON|=（1＜＜SWRES）； //CAN 控制器軟復位

CANBT1=0x06； //設置波特率分頻因子

CANBT2=0x0C； //補償不同CAN控制器之間的相位差和物理延時

CANBT3=0x37； //相位緩沖

CANTCON=0xff； //預比例因子

CANPAGE=0x00； //選擇郵箱和自動增長方式

CANSTMOB=0； //清除Mob狀態(tài)寄存器

CANCDMOB=0x18； //設置選擇CAN2.0B協(xié)議

CANIDTT4=0x18； //設置報文ID接受報文為全部接收

CANIDTT3=0x00；

…//其他初始化配置

CANIE2|=0x09； //開郵箱接受中斷（接受郵箱）

CANPAGE=0x00；

CANCDMOB|=0x80； //MOB0接收使能

CANGCON|=0x02； //CAN控制器啟動

}

對于報文的發(fā)送，當CAN總線上的一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡中所有節(jié)點。當發(fā)送時，CAN控制芯片將數(shù)據(jù)進行相應的組織和傳送，此時網(wǎng)絡上其他節(jié)點處于接收狀態(tài)。報文的接收主要有兩種方式：中斷方式和查詢方式。在本設計中，采用的是中斷方式，即每傳來一個報文，就觸發(fā)CANSTMOB中的相應中斷，然后將接收到的數(shù)據(jù)從CAN數(shù)據(jù)寄存器中轉移到指定的存儲區(qū)域內(nèi)并保存起來。

4 結束語

片TMC262設計了控制驅動一體化的步進電機控制系統(tǒng)。經(jīng)過自動化生產(chǎn)線的實驗測試表明，所設計的步進電機控制驅動一體化系統(tǒng)具有高細分、控制精度高和穩(wěn)定性好等特點。設計的步進電機控制系統(tǒng)可降低軟件開發(fā)的難度，減少硬件實現(xiàn)的成本，且控制方便。該控制系統(tǒng)可廣泛應用于汽車行業(yè)和工業(yè)運動控制領域。

[1]劉曉山.單片機在步進電機控制系統(tǒng)中的應用[J].機電工程技術，2004，33（1）:69-70.LIU Xiao-shan.Application of SCM on the step motor control system[J].Mechanical and Electrical Engineering Technology，2004，33（1）:69-70.

[2]吳紅星.電機驅動與控制專用集成電路及應用 [M].北京:中國電力出版社，2006:40-42.

[3]AVR高速嵌入式單片機原理與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2001.

[4]TMC262 Datasheet[R].TRINMIC Microchips GmbH Incorporated，2011.

[5]TMC429 Datasheet[R].TRINMIC Microchips GmbH Incorporated，2011.

[6]魏敬宣，劉立，高鵬，等.基于AT90CAN128的車用CAN網(wǎng)絡節(jié)點的研究與實現(xiàn)[J].測控技術，2007，26（2）:57-59.WEI Jing-xuan，LIU Li，GAO Peng，et al.Research and realization of CANnode for vehicle based on AT90CAN128[J].Measurement&Control Technology，2007，26（2）:57-59.