基于專用控制芯片的步進電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計

1、基于專用控制芯片的步進電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)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(lǐng)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由性能不 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(wù)量大、pcbs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(shù)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

2、體積小、重量輕、工作穩(wěn)定、能夠?qū)?現(xiàn)多軸控制等優(yōu)點，這給步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)帶 來了很大的方便?；谝陨系目紤]，文中利用微控制器 at90can128步進電機 運動控制芯片 tmc42和步進電機驅(qū)動芯片 tmc26歿計了一 種控制驅(qū)動一體化的3軸步進電機控制系統(tǒng)。通信方面設(shè)計 了 rs48酸口，用于上位機與控制驅(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)化作功能擴展。1系統(tǒng)的總體設(shè)計設(shè)計的步進電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。步進電機在制東玩及倬給愕洌限位 開關(guān)步進 皿«控«3上位機在該系統(tǒng)中設(shè)計完成的控制兼驅(qū)動集成板可作為下位機，pc plc和

3、dsp等可作為上位機，上、下位機通過rs48喊can總線等通訊接口進行通訊。上位機主要負責發(fā)送驅(qū)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由 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(shè)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 tmc42和tmc262系統(tǒng)拋棄了傳統(tǒng)的“cpu鐘置canb議轉(zhuǎn)換器”的方案，選擇內(nèi)置can1塊的at90can12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。tmc42眼供了所有與數(shù)字運動控制有關(guān)的功能，包括位置

4、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由來，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。止匕外，在 tmc262i電機之間還需配置 h橋， 系統(tǒng)中選用的是互補型 mosfet1彳fdd8424hk片。由于一 片步進電機驅(qū)動芯片 tmc26家能驅(qū)動一路步進電機， 且需要 與4片fdd8424h樣片使用，故系統(tǒng)中共使用了 3片tmc26芯 片及12片fdd8424hk片。2. 1核心控制芯片簡介2. 1. 1 at90can12彈片機簡介at90can12的基于avr risc結(jié)構(gòu)的8位低

5、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容，內(nèi)部結(jié)構(gòu)在繼承 mega12的資源基礎(chǔ)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(shè)模塊。at90can12采用mob（消息”腭i ）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進電機驅(qū)動芯片簡介tmc2621一款具有高細分率的兩相步進電機驅(qū)動芯片，適用 于雙極性步進電機的驅(qū)動。該芯片同時帶有專利

6、技術(shù) stallguard 功能和專利技術(shù) 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(qū)動芯片輸由的電流，避免因為超載而丟步，減少電機的發(fā)熱量，和其他驅(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：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勺低功率、高效率、體積小的設(shè) 計理念使其成為嵌入式運動控制甚至電池供電設(shè)備的完美 選擇，內(nèi)部集成的 daej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tmc26進行相關(guān)的配置。2.

7、 1. 3 tmc42眶進電機控制芯片簡介tmc42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 tmc428f 同，該芯片的 cpu時鐘頻率可高達32 mhz。一旦初始化， tmc429按照設(shè)定的目標位置和目標速度自動運行各種實 時關(guān)鍵任務(wù)，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(shè)計的工作量，降低開發(fā)成本， 縮短研發(fā)時間。和 tmc26”樣，在使用芯片之前，也需通過 spi接口對tmc42恥行相關(guān)的配置。tmc429r4種工作模式，可單獨為每個步進電機編程。其中位置控制有 rampp1式和soft模式，速度控

8、制有 velocity 模式和hold莫式。對于位置應(yīng)用，ramp莫式比較合適，而對于持續(xù)的速度應(yīng)用， velocity莫式比較合適。在 ramp莫 式，用戶只要設(shè)置位置參數(shù)，tmc42就算由一個矩形速度曲線然后驅(qū)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。 soft1式與ramp莫式比較類似，只 是在速度減少時，速度以指數(shù)曲線下降。在velocity莫式，目標速度被設(shè)置，運行時tmc42a考慮用戶定義的速度和加 速度的極限。在hold莫式，用戶設(shè)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(shè)定的任 意速度曲線。止匕外，tmc429i供了中斷

9、機制，用戶可根據(jù)具 體應(yīng)用要求進行設(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勺寄存器和片內(nèi)ram進行讀寫操作。利用tmc4291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(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勺同時，微控制器也接受到來自 tmc429勺數(shù)據(jù)包。微控制器與tmc4291間的通信數(shù)據(jù)包如圖2和圖3所示。 34gmmc21tmpc梅皿£qaddrea j吟圖2 旗控制舞發(fā)送蛤tmc429的32位戮梨世備注：rrs 寄存器/ ramo位（rrs=0:寄存器/ rrs=1 ram）rw 讀寫選擇位（r

10、w=1:讀/ rw=0寫）ml r ui； 1 mihwwffilll 川;|wihm 口 i圖3 tmc429反憤給控制器的32位恢據(jù)包備注：int:中斷控制狀態(tài)輸由信號cdgw（cover dategram waiting）:（無握手信號時為 0）rs1、rs方口 rs3限位開關(guān)的設(shè)置（未激活時為0）xeqt1、xeqt2和xeqt3:指示相應(yīng)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tmc26卸tmc42的連接簡圖如圖4所示。機卻w5ljt»ng1f寧lf2 ij4i040cm|> 圈5 can電襄褶門電昆上圖為tmc429-l1（qfn32寸

11、裝）與tmc262勺連接簡圖，tmc429 與tmc262勺通信方式有 spi模式和step/dir模式，本系統(tǒng) 選用后者。csn_曲于片選tmc429勺spi微控制接口， csn_« csn_和csn_3hj用于片選3個tmc26以完成對tmc26的配 置。2. 3 can總線通訊接口電路設(shè)計系統(tǒng)can總線的硬件電路如圖5所示。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 at90can12至要負責內(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(wù)；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

12、擾能力； tja1050是控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（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(shè)計系統(tǒng)rs485總線的硬件電路如圖6所示由于rs-485與ttl電平不兼容，因此兩者之間需要有電平轉(zhuǎn) 換。目前完成此功能的芯片比較多，本系統(tǒng)中采用maxi必司生產(chǎn)的max485該芯片內(nèi)有接收器與發(fā)送驅(qū)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max485f單片機輸由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(shè)計在硬件電路設(shè)計制作的基礎(chǔ)上

13、設(shè)計了控制系統(tǒng)的軟件?？刂葡到y(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(shè)計采用模塊化設(shè)計。步進電機控制系統(tǒng)的主程序設(shè)計流程圖如圖7所示。國口#始化|龍訊梭父初始化配置著用自mt 4開京的(4+7x77*1圖件欣計網(wǎng)濰程圖在軟件設(shè)計中，由于專用控制芯片分擔了不少單片機的軟件 設(shè)計工作，因此通信方面的軟件編程是設(shè)計的重點。設(shè)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rs48環(huán)口 can® 口。 rs48觸口標準只對接口的電氣特性做由 規(guī)定，使其具有通用性，但不涉及接插件、電纜等，在此基 礎(chǔ)上用戶可以建立自己的

14、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(yīng)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勺通信協(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(shè)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(wù)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(shè)置、id標志符寄存器的設(shè)置、接受屏蔽寄存器的設(shè)置、波特率參數(shù)的設(shè)置、消息郵 箱mob控制寄存器的設(shè)置和中斷允許寄存器的設(shè)置等。由于 本文設(shè)計的步進電機控制系統(tǒng)采用can2 0b規(guī)范，需要對can接收

15、器進行相應(yīng)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(wù)。限于篇幅，這里僅給由can空制器初始化的部分程序：void canjntf )(卬dtcrx 1 «wdce)f(l«wde)； / f料刎林化wdtcr=oxof；5re6毋00；“美金加=一一cancconi=(1«swres)t /can 技制 片 校受技canbtl=oxo6：canbt2=oxoc： 的櫛性總和物理適時canw37：cantconxthff；canpace=oxoo；canstmob=o； ancnm0b=0x18； canlht4hl8；canidit3400；“謖置波特率分強因子林建不同can艘的君之間came2r=oxo9； canpage=oxoo： cancdmoboxso； cangcon 1=0x02；其他初始化配篁步開郵箱接受中斷（接受號箱）播收便能"can vj *2相似嵯沖”超比例困于選擇郵輪和自動增長方式清除mn做務(wù)寄存近設(shè)更逸擇can2,ob忡議加殳k報文【d接受指文為全部接欣對于報文的發(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(luò)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(yīng)的組織和傳送，此時網(wǎng)絡(luò)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