智能步進芯片TMC223.doc

步進電機控制與驅(qū)動一體芯片TMC223原理與應(yīng)用 高 偉摘 要：在今日空間有限的環(huán)境中，設(shè)計人員急需功能豐富，體積精巧而整體效能強大的解決方案，TMC223在對步進電機的控制中集成了控制和驅(qū)動功能，減輕了軟件的設(shè)計量，減少外圍電路，從而達到降低成本的目的關(guān)鍵詞：OTP ； IIC ； StallGuard 通常情況下在設(shè)計單軸步進系統(tǒng)時要分別選擇，設(shè)計控制部分，驅(qū)動部分和功率管這三個部分往往是獨立的，需要對各個部分進行設(shè)計開發(fā)。而TRINAMIC公司開發(fā)的TMC223這款芯片集成了控制功能，驅(qū)動功能和驅(qū)動管，大大減少了開發(fā)時間和成本的同時也減小了產(chǎn)品的體積，增強了功能。1 功能TMC223是一款集成了步進電機微步控制、驅(qū)動、RAM、OTP存儲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存儲器用來存儲電機參數(shù)和一些配置參數(shù)。TMC223自身帶有最大16倍的細分，驅(qū)動電流可達0.8A，通過2根線的串行接口與微控制器通訊，只需要一個廉價的微控制器和TMC223就可以組成一個完整的單軸步進電機控制驅(qū)動系統(tǒng)。TMC223主要部分的性能如下：電機驅(qū)動方面驅(qū)動單個步進電機帶有4位分辨率的微步細分，包括整步最大細分數(shù)16可編程控制的線圈電流最大0.8A所提供的驅(qū)動電壓范圍在8V29V固定頻率的PWM電流控制帶有自動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運動控制方面內(nèi)置16位的位置計數(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配置可在電機運動過程中及時更改目標位置外部參考信號出入，可用做電機限位信號2線的串行接口傳輸速率350KBPS可以傳輸診斷，狀態(tài)信息以及運動參數(shù)可編程的節(jié)點地址數(shù)32個無需外部傳感器的失速探測功能可以檢測電機超載避免丟步監(jiān)測系統(tǒng)的震動情況，有的放矢地解決共振問題TMC223有兩種不同的封狀方式如圖1圖1 TMC223的不同封狀方式2 引腳功能參考開關(guān)輸入SWI電機A/B相接口OB/OA電荷泵濾波電容接口VCP電荷泵電容負極CPP電荷泵電容負極CPN硬件線路串行接口地址輸入HW不需要接open測試引腳（平時接地）TST地GND 電源輸入（外部需退耦電容）VDDSCL時鐘輸入SCLSDA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出SDA 圖2 TMC223引腳及功能3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理圖3 TMC223內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3為TMC223芯片內(nèi)部功能框圖，電機的工加速度、加速度、目標位置等參數(shù)通過串行接口傳送至主控制區(qū)域，這些信息被存儲在內(nèi)部的RAM或OTP存儲器中，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)動步進電機以達到所需的控制速度，目標位置等。內(nèi)部集成了兩個雙H橋功率管可以直接驅(qū)動2相步進電機，驅(qū)動電流可以達到0.8A，PWM用來控制流入電機線圈的電流，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)生信號來驅(qū)動功率管。TMC223通過2線具有雙向串行數(shù)據(jù)接口與微控制器通訊，運動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個節(jié)點，從地址可以通過OTP存儲器或外部的接口來定義。TMC223還具有StallGuard（失速探測功能）用在無需外部參考點的定位控制中，如不需要外部參考點的回原點運動。TMC223支持微步細分功能具有半步、1/4、1/8、1/16，該功能保證了步進電機的平滑運動和很小的力矩波動幾種細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動模式圖4 在運動過程中更改目標位置圖5 在減速過程中更改目標位置圖6 在還未達到最大速度時更改目標位置圖7 在運動過程中反方向更改目標位置電機以線形經(jīng)過零點，在經(jīng)過零點時電機的力矩波動非常小。在運動過程中更改目標位置，TMC223有著和其它控制器不同的功能，這種更改電機是及時響應(yīng)的，其它的控制器的控制方法是要在第一個目標位置到達后才執(zhí)行更改后的目標位置，并非及時地響應(yīng)。TMC223內(nèi)部具有溫度檢測功能，到溫度達到極限溫度時電路會自動進入關(guān)閉狀態(tài)，而且在這之前會產(chǎn)生溫度報警信號；此外TMC223還具有電壓檢測功能，電路也會進入關(guān)閉狀態(tài)當檢測到電壓低于極限值時，而且在這之前也會有報警信號產(chǎn)生。4 系統(tǒng)構(gòu)成圖8 TMC223典型的應(yīng)用整個系統(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)成單軸步進電機控制驅(qū)動系統(tǒng)，整個系統(tǒng)只需要2個主要的芯片即可，其中所有的運動功能包括波形發(fā)生器，脈沖發(fā)生器；驅(qū)動功能包括PWM，功率驅(qū)動等主要功能均由TMC223來實現(xiàn)，外部直接連接兩相步進電機，而微處理器負責通訊以及向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擔，可以將其解放出來做更