基于TMC428的步进电机控制系统设计

　　本系统采用MCS51单片机作为微处理器，用于系统的控制和指令发布，这是整个控制系统的核心，系统的各种逻辑和数量计算都有单片机完成。由于系统采用SPI串行通信方式，而51单片机本身不带有SPI接口，所以在单片机与TMC428必须独立SPI专用接口模块进行数据转换，这里采用MCP2510SPI接口芯片。上电以后，单片机首先对TMC428进行初始化，设置初始的位置、速度以及加速度等运动参数，并且配置菊花链串行通信数据和微步表。由于运动参数被配置在TMC428的功能寄存器中，在工作过程中可以根据实际要求在线更改以适应实际运动过程，而菊花链串行通信数据和微步表是存放在片内RAM中，上电以后这些参数一般不能更改，所以在初始化时要对这些参数进行精确计算。采用3个TMC236构成一个菊花链，每个TMC236控制一个步进电机，当初始化完成后，TMC428可以脱离单片机自动地把控制数据发送给TMC236实现对电机的控制，但由于TMC236所发出的控制信号比较弱，不足以驱动电机，所以在TMC236发出的控制信号必须进过功率放大才能驱动电机。系统结构如图二所示。

图二

三、硬件设计

　　本系统单片机选用AT89S52，系统时钟频率采用16MHZ，由于TMC428的最高工作频率能够达到16MHZ，但TMC236的PWM操作频率不能超过100KHZ，所以为了方便设计本系统采用分频电路对16MHZ的时钟频率分频为20KHZ，TMC428和TMC236都采用同一20KHZ时钟频率。为减小电源的复杂性，系统由单一+5V直流电源供电。由于本系统中TMC428不使用内部中断，所以3个参考开关输入必须接地，同时没有使用3.3V电源，所以V33引脚必须通过一个470nF的电容接地，+5V输入电源要通过一个100nF的电容滤波，以保证TMC428的可靠运行。驱动SPI接口的数据输入线SDI_S引脚要通过一个阻值为10K的电阻下拉。TMC428的nscs_s引脚作为3个TMC236使能信号与CSN引脚相连。控制数据通过SDO_S引脚传送至TMC236的SDI引脚中，由于采用的是菊花链形式，所以3个TMC236通过各自的SDO――SDI两个引脚相串联。在TMC236电路设计中，20KHZ的外部时钟从OSC引脚输入。由于TMC236内部集成了HVCMOSFET构成的双全桥驱动电路，它采用恒流斩波驱动方式来驱动双极性二相步进电机，其中电机的供应电源由VS引脚输入，但必须在VS引脚上连接220pF和100uF的电容进行滤波，在本系统中采用+12V的直流电源作为电机两相绕组的励磁电源。TMC236的OA1和OA2连接步进电机的A相励磁绕组，而OB1和OB2连接步进电机的B相励磁绕组。另外，为了限制电机的最大电流，必须对TMC236双全桥驱动电路设置限流电阻Rs，Rs电阻的设置可根据如下计算公式计算：

　　其中Imax为电机所允许的最大电流，在这里Imax=1030mA，所以计算电阻Rs=0.33Ω。本系统采用脉冲变压器作为功率放大装置直接对步进电机供电。系统的主电路如图三所示。

图三