基于TMC428的步进电机控制系统设计

引言

步进电机是一种重要的执行装置，广泛用于工业控制和各种办公设备中，步进电机的稳定可靠运行直接关系到工业控制的精度和设备的质量，特别是在高精度数控系统中更是要求步进电机能够精确运行。如何实现对步进电机的精确可靠控制成为工业控制等系统中的关键技术。多年来很多专家学者研制出很多性能较好的步进电机控制系统，然而，早期的步进电机控制系统体积大，使用的元器件多，这给系统的可靠运行带来了较大的隐患。随着电子技术的发展，很多功能单元都走向模块化和数字化，并且具有体积小，重量轻，工作可靠性高，成本低等优点，而且能够实现多轴控制，这给步进电机控制系统的设计带来了很大的方便。由TRINAMIC公司生产的TMC428就是这样一款三轴步进电机运动控制芯片。这里使用TMC428控制芯片设计一种三轴步进电机控制系统，本系统可用于经济型三轴数控系统中。

一、TMC428芯片及其功能

　　TMC428是一种小尺寸、高性价比的二相步进电机控制器，包括位置控制、速度控制及微步控制等步进电机常用的控制功能，可同时对三个二相步进电机进行控制。带有2个独立的SPI接口，可分别与微处理器和带有SPI接口的步进电机驱动器相连接，能够与3个TMC236相连接构成菊花链结构。

　　1、结构

　　TMC428采用16引脚封装，是由各个单元的寄存器和片内RAM构成的。其内部包括二个外部串行接口、波形发生器和脉冲发生器、微步单元、多口RAM控制器和中断控制器。如图一所示。SPI串行通信使用32bit数据长度的简单协议，与电机驱动器相连接时，其数据传输速率高达1Mbit/s。时钟输入范围宽且时钟频率最高可达16MHz，采用3.3V或5V的CMOS/TTL兼容电平供电。

图一

　　2、功能

　　TMC428有4种不同的工作模式，对每个步进电机的控制单独编程，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。TMC428提供了一组功能不同的寄存器单元和片内RAM，一般从微处理器获得控制指令，微处理器则通过发送和接收固定长度的数据包对TMC428寄存器和RAM进行读写操作。TMC428的寄存器和片内RAM的功能有所不同。寄存器用于存储电机总体配置参数和运动参数，而片内RAM用于存储驱动串行接口的配置和微步表。电机总体参数是指对驱动器菊花链中TMC236的配置。运动参数包括各电机的当前位置、目标位置、最大速度、最大加速度、电流比例、波形发生器和脉冲发生器参数以及微步细分分辨率等。片内RAM包括64个地址的数据空间，每个地址可存储24位宽的数据，前32位地址数据是对驱动器菊花链串行通信数据包的配置，后32位地址的数据为微步细分表。

　　初始化以后，TMC428即可自动发送数据包到菊花链的每个TMC236，也就是说，驱动串行接口经过初始化后便可以自动工作，而不需要微处理器的参与。只要把位置、速度写进指定的寄存器就可以控制电机。TMC428的多口RAM控制器可管理数据的存取时序。这样，微处理器就可以在任何时间读写寄存器和片内RAM的数据。

　　通过波形发生器可以处理存储在寄存器里的运动参数并计算电机运动速度曲线。脉冲发生器则根据波形发生器计算得到的速度来产生步进脉冲。步进脉冲产生时TMC428的驱动串行接口将自动发送数据包给步进电机驱动器菊花链以驱动步进电机。当采用微步控制时，微步单元即开始处理根据脉冲发生器产生的步进脉冲，同时根据选择的微步分辨率来产生全步、半步和微步脉冲，并通过驱动串口送给驱动器菊花链。

　　驱动串行接口是TMC428与驱动器菊花链之间的通信接口。从TMC428到驱动器之间的串行数据包的长度是可配置的，以适应由不同类型和厂家的电路构成的SPI环形结构，最大数据长度为64bit。初始化后，TMC428与步进电机驱动器之间的通信是自动完成的。不同类型的带有SPI接口的驱动器都可以混合构成菊花链结构与TMC428进行连接。