步進(jìn)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(jìn)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(jìn)電機的精度和穩(wěn)定性要求更高。所以說，對于步進(jìn)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(xué)者研制出性能不錯的步進(jìn)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、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(shù)的發(fā)展，步進(jìn)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?qū)崿F(xiàn)多軸控制等優(yōu)點，這給步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的設(shè)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(jìn)電機運動控制芯片TMC429和步進(jìn)電機驅(qū)動芯片TMC262設(shè)計了一種控制驅(qū)動一體化的3軸步進(jìn)電機控制系統(tǒng)。通信方面設(shè)計了RS485接口，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(jìn)電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　　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(jìn)行通訊。上位機主要負(fù)責(zé)發(fā)送驅(qū)動裝置(步進(jìn)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(fù)責(zé)接收指令并對指令進(jìn)行處理以輸出步進(jìn)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TMC429和TMC262。系統(tǒng)拋棄了傳統(tǒng)的“CPU+外置CAN協(xié)議轉(zhuǎn)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(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(jìn)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(jìn)電機驅(qū)動芯片TMC262只能驅(qū)動一路步進(jìn)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(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)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(dá)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兼容，內(nèi)部結(jié)構(gòu)在繼承MEGA128的資源基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，但其最大的特色還在于具有了符合CAN2．0A和CAN2．0B標(biāo)準(zhǔn)的全功能CAN外設(shè)模塊。AT90CAN128采用Mob(消息對象)方式進(jìn)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(jìn)電機驅(qū)動芯片簡介

　　TMC262是一款具有高細(xì)分率的兩相步進(jìn)電機驅(qū)動芯片，適用于雙極性步進(jìn)電機的驅(qū)動。該芯片同時帶有專利技術(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(fù)載，后者可以根據(jù)電機的負(fù)載自動調(diào)節(jié)驅(qū)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(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的低功率、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(jìn)行相關(guān)的配置。

　　2．1．3 TMC429步進(jìn)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(jìn)電機控制芯片，可以控制多達(dá)3軸步進(jìn)電機。與TMC428不同，該芯片的CPU時鐘頻率可高達(dá)32 MHz。一旦初始化，TMC429能按照設(shè)定的目標(biāo)位置和目標(biāo)速度自動運行各種實時關(guān)鍵任務(wù)，且目標(biāo)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TMC262一樣，在使用芯片之前，也需通過SPI接口對TMC429進(jìn)行相關(guān)的配置。

　　TMC429有4種工作模式，可單獨為每個步進(jìn)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(yīng)用，RAMP模式比較合適，而對于持續(xù)的速度應(yīng)用，VELOCITY模式比較合適。在RAMP模式，用戶只要設(shè)置位置參數(shù)，TMC429計算出一個矩形速度曲線然后驅(qū)動電機自主地運行至目標(biāo)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(biāo)速度被設(shè)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(shè)置目標(biāo)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。此外，TMC429提供了中斷機制，用戶可根據(jù)具體應(yīng)用要求進(jìn)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的寄存器和片內(nèi)RAM進(jìn)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(jìn)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。

　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)

　　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(guān)的設(shè)置(未激活時為0)

　　xEQt1、xEQt2和xEQt3：指示相應(yīng)的步進(jìn)電機是否到達(dá)目標(biāo)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的連接簡圖如圖4所示。

　　為TMC429-L1(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(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AT90CAN128主要負(fù)責(zé)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MAXIM公司生產(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(shè)計

　　在硬件電路設(shè)計制作的基礎(chǔ)上設(shè)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(shè)計采用模塊化設(shè)計。

　　步進(jìn)電機控制系統(tǒng)的主程序設(shè)計流程圖如圖7所示。

　　在軟件設(shè)計中，由于專用控制芯片分擔(dān)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RS485和CAN接口。RS485接口標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)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(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(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(jìn)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(biāo)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(jìn)電機控制系統(tǒng)采用CAN2．0B規(guī)范，需要對CAN接收器進(jìn)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(jìn)行正常的通訊任務(wù)。

　　限于篇幅，這里僅給出CAN控制器初始化的部分程序：

　對于報文的發(fā)送，當(dāng)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(dāng)發(fā)送時，CAN控制芯片將數(shù)據(jù)進(jìn)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。在本設(shè)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(yīng)中斷，然后將接收到的數(shù)據(jù)從CAN數(shù)據(jù)寄存器中轉(zhuǎn)移到指定的存儲區(qū)域內(nèi)并保存起來。

　　4 結(jié)束語

　　采用步進(jìn)電機專用的運動控制芯片TMC429和驅(qū)動芯片TMC262設(shè)計了控制驅(qū)動一體化的步進(jìn)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(shè)計的步進(jìn)電機控制驅(qū)動一體化系統(tǒng)具有高細(xì)分、控制精度高和穩(wěn)定性好等特點。設(shè)計的步進(jìn)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(yīng)用于汽車行業(yè)和工業(yè)運動控制領(lǐng)域。