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专用控制芯片的步进电机运动控制系统设计介绍(下)

  TMC429是一款小尺寸、高性价比的二相步进电机控制芯片,可以控制多达3轴步进电机。与TMC428不同,该芯片的CPU时钟频率可高达32 MHz。一旦初始化,TMC429能按照设定的目标位置和目标速度自动运行各种实时关键任务,且目标位置和速度可随时更改。它可以减少外围电路,减少电机控制软件设计的工作量,降低开发成本,缩短研发时间。和TMC262一样,在使用芯片之前,也需通过SPI接口对TMC429进行相关的配置。
  TMC429有4种工作模式,可单独为每个步进电机编程。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。对于位置应用,RAMP模式比较合适,而对于持续的速度应用,VELOCITY模式比较合适。在RAMP模式,用户只要设置位置参数,TMC429计算出一个矩形速度曲线然后驱动电机自主地运行至目标位置,而且在运动期间,位置可以被任意改变。SOFT模式与RAMP模式比较类似,只是在速度减少时,速度以指数曲线下降。在VELOCITY模式,目标速度被设置,运行时TMC429会考虑用户定义的速度和加速度的极限。在HOLD模式,用户设置目标速度,但是TMC429忽略速度和加速度的任何限制,去实现完全由用户设定的任意速度曲线。此外,TMC429提供了中断机制,用户可根据具体应用要求进行设置。
  微处理器通过发送和接收固定长度的数据包对TMC429的寄存器和片内RAM进行读写操作。利用TMC429自带的二个独立的SPI口,可分别与微处理器和带有SPI接口的步进电机驱动芯片相连以构成完整的系统。每次微控制器发送数据包给TMC429的同时,微控制器也接受到来自TMC429的数据包。
  CAN接口电路主要由3部分组成:单片机AT90CAN128、高速光耦合器6N137和高速CAN总线收发器。其中AT90CAN128主要负责内部CAN控制器的初始化、实现数据的接收和发送等通信任务;6N137起到控制器与工业现场相隔离的目的,可以提高系统的抗干扰能力;TJA1050是控制器区域网络(CAN)协议控制器和物理总线之间的接口,可以为CAN控制器提供差动接收性能。
  由于RS-485与TTL电平不兼容,因此两者之间需要有电平转换。目前完成此功能的芯片比较多,本系统中采用MAXIM公司生产的MAX485。该芯片内有接收器与发送驱动器,控制简单,适用于半双工通讯。为了提高通讯接口的抗干扰能力,在MAX485与单片机输出端之间接入光电耦合器;同时在A端和B端之间增加了匹配电阻,以吸收总线上的反射信号,保证正常传输信号时无毛刺。
  在硬件电路设计制作的基础上设计了控制系统的软件。控制系统的所有源代码均在AVR Studio 4和ICCAVR集成开发环境中编译和调试。为了便于系统扩展,系统软件设计采用模块化设计。
  在软件设计中,由于专用控制芯片分担了不少单片机的软件设计工作,因此通信方面的软件编程是设计的重点。设计的控制系统拟作为下位机,下位机与上位机的通信选择了RS485和CAN接口。RS485接口标准只对接口的电气特性做出规定,使其具有通用性,但不涉及接插件、电缆等,在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。而这个高层通信协议的建立既可以采用已有的应用成熟的通信协议,比如Modbus协议等,也可以由用户自定义RS485的通信协议。本系统采用了Modbus通信协议。CAN总线节点的软件设计主要包括3大部分:CAN节点初始化、报文发送和报文接收。
  CAN节点的初始化程序的主要任务就是对总线通信控制器CAN控制器进行合适的配置,以满足系统运行的要求。CAN控制器的初始化包括了工作方式的设置、ID标志符寄存器的设置、接受屏蔽寄存器的设置、波特率参数的设置、消息邮箱Mob控制寄存器的设置和中断允许寄存器的设置等。由于本文设计的步进电机控制系统采用CAN2.0B规范,需要对CAN接收器进行相应的初始化。在完成初始化配置以后,回到工作状态进行正常的通讯任务。
  采用步进电机专用的运动控制芯片TMC429和驱动芯片TMC262设计了控制驱动一体化的步进电机控制系统。经过自动化生产线的实验测试表明,所设计的步进电机控制驱动一体化系统具有高细分、控制精度高和稳定性好等特点。设计的步进电机控制系统可降低软件开发的难度,减少硬件实现的成本,且控制方便。该控制系统可广泛应用于汽车行业和工业运动控制领域。