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步進(jìn)電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)一體芯片TMC223原理與應(yīng)用
摘 要：在今日空間有限的環(huán)境中，設(shè)計(jì)人員急需功能豐富，體積精巧而整體效能強(qiáng)大的解決方案，TMC223在對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制中集成了控制和驅(qū)動(dòng)功能，減輕了軟件的設(shè)計(jì)量，減少外圍電路，從而達(dá)到降低成本的目的
關(guān)鍵詞：OTP ； IIC ； StallGuard
通常情況下在設(shè)計(jì)單軸步進(jìn)系統(tǒng)時(shí)要分別選擇，設(shè)計(jì)控制部分，驅(qū)動(dòng)部分和功率管這三個(gè)部分往往是獨(dú)立的，需要對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。而TRINAMIC公司開發(fā)的TMC223這款芯片集成了控制功能，驅(qū)動(dòng)功能和驅(qū)動(dòng)管，大大減少了開發(fā)時(shí)間和成本的同時(shí)也減小了產(chǎn)品的體積，增強(qiáng)了功能。
1． 功能
TMC223是一款集成了 步進(jìn)電機(jī)微步控制、驅(qū)動(dòng)、RAM、OTP存儲(chǔ)器以及該公司的專利技術(shù)StallGuard功能與一起的高性能芯片。RAM或OTP存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)電機(jī)參數(shù)和一些配置參數(shù)。TMC223自身帶有最大16倍的細(xì)分，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)0.8A，通過2根線的串行接口與微控制器通訊，只需要一個(gè)廉價(jià)的微控制器和TMC223就可以組成一個(gè)完整的單軸步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。TMC223主要部分的性能如下：
●電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面
◆驅(qū)動(dòng)單個(gè)步進(jìn)電機(jī)帶有4位分辨率的微步細(xì)分，包括整步最大細(xì)分?jǐn)?shù)16
◆可編程控制的線圈電流最大0.8A所提供的驅(qū)動(dòng)電壓范圍在8V—29V
◆固定頻率的PWM電流控制帶有自動(dòng)選擇的快慢衰減模式
◆整步頻率1KHz
◆高溫、開路、短路、過流以及欠壓診斷
●電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方面
◆內(nèi)置16位的位置計(jì)數(shù)器
◆可配置速度、加速度的設(shè)置
◆波形發(fā)生器可以根據(jù)所選擇的位置或速度控制模式自動(dòng)配置
◆可在電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中及時(shí)更改目標(biāo)位置
◆外部參考信號(hào)出入，可用做電機(jī)限位信號(hào)
●2線的串行接口
◆傳輸速率350KBPS
◆可以傳輸診斷，狀態(tài)信息以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)
◆可編程的節(jié)點(diǎn)地址數(shù)32個(gè)
●無需外部傳感器的失速探測(cè)功能
◆可以檢測(cè)電機(jī)超載避免丟步
◆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的震動(dòng)情況，有的放矢地解決共振問題
1． 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理
圖3為TMC223芯片內(nèi)部功能框圖，電機(jī)的工加速度、加速度、目標(biāo)位置等參數(shù)通過串行接口傳送至主控制區(qū)域，這些信息被存儲(chǔ)在內(nèi)部的RAM或OTP存儲(chǔ)器中，用于與位置控制。控制區(qū)域?qū)凑赵O(shè)定好的參數(shù)來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)以達(dá)到所需的控制速度，目標(biāo)位置等。
內(nèi)部集成了兩個(gè)雙H橋功率管可以直接驅(qū)動(dòng)2相步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到0.8A，PWM用來控制流入電機(jī)線圈的電流，外部的電流輸出感應(yīng)電阻和內(nèi)部的參考的值形成電流校正的閉環(huán)，通過輸出電流比較電路，PWM產(chǎn)生信號(hào)來驅(qū)動(dòng)功率管。TMC223通過2線具有雙向串行數(shù)據(jù)接口與微控制器通訊，運(yùn)動(dòng)指令通過有微控制器經(jīng)過串行總線送至TMC223主控制區(qū)，而一些診斷信息也可以經(jīng)過TMC223傳送至微控制器，在同一總線上可以最多連接32個(gè)節(jié)點(diǎn)，從地址可以通過OTP存儲(chǔ)器或外部的接口來定義。
TMC223還具有StallGuard（失速探測(cè)功能）用在無需外部參考點(diǎn)的定位控制中，如不需要外部參考點(diǎn)的回原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。
TMC223支持微步細(xì)分功能具有半步、1/4、1/8、1/16，該功能保證了步進(jìn)電機(jī)的平滑運(yùn)動(dòng)和很小的力矩波動(dòng)幾種細(xì)分模式可于用戶自己選擇。
下面介紹TMC223幾種典型在不同情況下的運(yùn)動(dòng)模式
圖7 在運(yùn)動(dòng)過程中反方向更改目標(biāo)位置
電機(jī)以線形經(jīng)過零點(diǎn)，在經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)電機(jī)的力矩波動(dòng)非常小。
在運(yùn)動(dòng)過程中更改目標(biāo)位置，TMC223有著和其它控制器不同的功能，這種更改電機(jī)是及時(shí)響應(yīng)的，其它的控制器的控制方法是要在第一個(gè)目標(biāo)位置到達(dá)后才執(zhí)行更改后的目標(biāo)位置，并非及時(shí)地響應(yīng)。
TMC223內(nèi)部具有溫度檢測(cè)功能，到溫度達(dá)到極限溫度時(shí)電路會(huì)自動(dòng)進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，而且在這之前會(huì)產(chǎn)生溫度報(bào)警信號(hào)；此外TMC223還具有電壓檢測(cè)功能，電路也會(huì)進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)當(dāng)檢測(cè)到電壓低于極限值時(shí)，而且在這之前也會(huì)有報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生。
1． 系統(tǒng)構(gòu)成
圖8 TMC223典型的應(yīng)用
整個(gè)系統(tǒng)的電路非常簡單，采用任何具有IIC通訊的微處理器結(jié)合TMC223芯片便構(gòu)成單軸步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)只需要2個(gè)主要的芯片即可，其中所有的運(yùn)動(dòng)功能包括波形發(fā)生器，脈沖發(fā)生器；驅(qū)動(dòng)功能包括PWM，功率驅(qū)動(dòng)等主要功能均由TMC223來實(shí)現(xiàn)，外部直接連接兩相步進(jìn)電機(jī)，而微處理器負(fù)責(zé)通訊以及向TMC223發(fā)送指令，和傳統(tǒng)的方式相比大大減輕的微處理器的負(fù)擔(dān)，可以將其解放出來做更高層次的開發(fā)如I/O控制等。
整套系統(tǒng)外圍電路非常簡單，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，減少系統(tǒng)的成本。由于整個(gè)系統(tǒng)只需要2個(gè)芯片所以可把體積做得很小，可用在空間有限的場合，如安防上的云臺(tái)以及儀器儀表，汽車電子等眾多領(lǐng)域。
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