步进电机是一种重要的履行设备，广泛用于工业操控和各种办公设备中，步进电机的安稳牢靠运转直接关系到工业操控的精度和设备的质量，特别是在高精度数控体系中更是要求步进电机可以准确运转。怎么完结对步进电机的准确牢靠操控成为工业操控等体系中的关键技术。多年来许多专家学者研制出许多功用较好的步进电机操控体系，但是，前期的步进电机操控体系体积大，运用的元器件多，这给体系的牢靠运转带来了较大的危险。跟着电子技术的开展，许多功用单元都走向模块化和数字化，而且具有体积小，重量轻，作业牢靠性高，本钱低一级长处，而且可以完结多轴操控，这给步进电机操控体系的规划带来了很大的便利。由 TRINAMIC公司出产的TMC428便是这样一款三轴步进电机运动操控芯片。这儿运用TMC428操控芯片规划一种三轴步进电机操控体系，本体系可用于经济型三轴数控体系中。
一、TMC428芯片及其功用
TMC428是一种小尺度、高性价比的二相步进电机操控器，包含方位操控、速度操控及微步操控等步进电机常用的操控功用，可一起对三个二相步进电机进行操控。带有2个独立的SPI接口，可别离与微处理器和带有SPI接口的步进电机驱动器相衔接，可以与3个TMC236相衔接构成菊花链结构。
1、 结构
TMC428选用16引脚封装，是由各个单元的寄存器和片内RAM构成的。其内部包含二个外部串行接口、波形发生器和脉冲发生器、微步单元、多口RAM 操控器和中止操控器。如图一所示。SPI串行通讯运用32bit数据长度的简略协议，与电机驱动器相衔接时，其数据传输速率高达1Mbit/s。时钟输入规模宽且时钟频率最高可达16MHz，选用3.3V或5V的CMOS/TTL兼容电平供电。
图一
2、 功用
TMC428有4种不同的作业方法，对每个步进电机的操控独自编程，其间方位操控有RAMP方法和SOFT方法，速度操控有VELOCITY方法和 HOLD方法。TMC428供给了一组功用不同的寄存器单元和片内RAM，一般从微处理器取得操控指令，微处理器则经过发送和接纳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的功用有所不同。寄存器用于存储电机整体装备参数和运动参数，而片内RAM用于存储驱动串行接口的装备和微步表。电机整体参数是指对驱动器菊花链中TMC236的装备。运动参数包含各电机的当时方位、方针方位、最大速度、最大加速度、电流份额、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包含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讯数据包的装备，后32位地址的数据为微步细分表。
初始化今后，TMC428即可主动发送数据包到菊花链的每个TMC236，也便是说，驱动串行接口经过初始化后便可以主动作业，而不需要微处理器的参加。只要把方位、速度写进指定的寄存器就可以操控电机。 TMC428的多口RAM操控器可办理数据的存取时序。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。
经过波形发生器可以处理存储在寄存器里的运动参数并核算电机运动速度曲线。脉冲发生器则依据波形发生器核算得到的速度来发生步进脉冲。步进脉冲发生时TMC428的驱动串行接口将主动发送数据包给步进电机驱动器菊花链以驱动步进电机。当选用微步操控时，微步单元即开端处理依据脉冲发生器发生的步进脉冲，一起依据挑选的微步分辨率来发生全步、半步和微步脉冲，并经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讯接口。从 TMC428到驱动器之间的串行数据包的长度是可装备的，以习惯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讯是主动完结的。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进行衔接。
二、体系分析
本体系选用MCS51单片机作为微处理器，用于体系的操控和指令发布，这是整个操控体系的中心，体系的各种逻辑和数量核算都有单片机完结。因为体系选用SPI串行通讯方法，而51单片机自身不带有SPI接口，所以在单片机与TMC428有必要独立SPI专用接口模块进行数据转化，这儿选用MCP2510 SPI接口芯片。上电今后，单片机首要对TMC428进行初始化，设置初始的方位、速度以及加速度等运动参数，而且装备菊花链串行通讯数据和微步表。因为运动参数被装备在TMC428的功用寄存器中，在作业进程中可以依据实践要求在线更改以习惯实践运动进程，而菊花链串行通讯数据和微步表是存放在片内RAM中，上电今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准确核算。选用3个TMC236构成一个菊花链，每个 TMC236操控一个步进电机，当初始化完结后，TMC428可以脱离单片机主动地把操控数据发送给TMC236完结对电机的操控，但因为TMC236所宣布的操控信号比较弱，不足以驱动电机，所以在TMC236宣布的操控信号有必要进过功率放大才干驱动电机。体系结构如图二所示。
图二
三、硬件规划
本体系单片机选用AT89S52，体系时钟频率选用16MHZ，因为TMC428的最高作业频率可以到达16MHZ，但TMC236的PWM操作频率不能超过100KHZ，所以为了便利规划本体系选用分频电路对16MHZ的时钟频率分频为20KHZ，TMC428和TMC236都选用同一20KHZ时钟频率。为减小电源的复杂性，体系由单一+5V直流电源供电。因为本体系中TMC428不运用内部中止，所以3个参阅开关输入有必要接地，一起没有运用 3.3V电源，所以V33引脚有必要经过一个470nF的电容接地，+5V输入电源要经过一个100nF的电容滤波，以确保TMC428的牢靠运转。驱动 SPI接口的数据输入线SDI_S引脚要经过一个阻值为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。操控数据经过SDO_S引脚传送至TMC236的SDI引脚中，因为选用的是菊花链方法，所以3个TMC236经过各自的SDO——SDI两个引脚相串联。在TMC236电路规划中，20KHZ的外部时钟从OSC引脚输入。因为TMC236内部集成了HVCMOSFET构成的双全桥驱动电路，它选用恒流斩波驱动方法来驱动双极性二相步进电机，其间电机的供给电源由VS引脚输入，但有必要在VS引脚上衔接220pF和100uF的%&&&&&%进行滤波，在本体系中选用+12V的直流电源作为电机两相绕组的励磁电源。TMC236的OA1和OA2衔接步进电机的A相励磁绕组，而OB1和OB2衔接步进电机的B相励磁绕组。别的，为了约束电机的最大电流，有必要对TMC236双全桥驱动电路设置限流电阻Rs，Rs电阻的设置可依据如下核算公式核算：
其间Imax为电机所答应的最大电流，在这儿Imax=1030mA，所以核算电阻Rs=0.33Ω。本体系选用脉冲变压器作为功率放大设备直接对步进电机供电。体系的主电路如图三所示。
图三
四、软件规划
操控体系的软件首要完结对TMC428的初始化以及操控参数核算和发送的作业。在初始化进程中首要要对TMC428的作业方法进行设置，一个是方位操控方法和速度操控方法，别的便是TMC428所要操控的步进电机的个数。这些参数的设置是经过微处理器向TMC428的相关寄存器写数据来完结。其间方位和速度操控方法寄存器的地址为1010，在本体系中方位操控选用RAMP方法，速度操控选用VELOCITY方法。因为本体系是三轴操控规划，所以TMC428要一起对三个步进电机进行操控，因而在步进电机大局装备参数寄存器设置中要把寄存器的地两位设置为10，其他位选用默认值。依据 TMC428的功用要求，每个电机都有自己的装备寄存器，关于电机的初始方位和初始速度都要在各自寄存器中独自设置。在初始化进程中对电机的方针速度、方针方位、实践速度和方位以及加速度和速度的最大值、最小值进行设置00地址表明电机1，01地址表明电机2，10地址表明电机三，其寄存器地址规模为 0000～1110。当初始化完结后依据实践需要微处理器在恣意时间都可以改动寄存器和片内RAM中的数据以习惯实践操控。本体系的软件作业进程如图四所以。
图四
五、总结
选用专用步进电机运动操控器和驱动电路组成的体系具有外围电路简略、体系抗干扰能力强和牢靠性高级长处，可削减操控电路的开发本钱。整个体系除了电源之外只要5个%&&&&&%，因而，体积小，操控简略，特别适用于3轴步时电机的驱动。试验证明该驱动器操控的步时电机定位精度高，加、减速功用杰出，一起，启停、回转功用也很优秀。
