Der TMC428 ist der neueste Schrittmotor-Bewegungscontroller von TRINAMIC. Er reduziert den Aufwand bei der Entwicklung der Motorsteuerungssoftware und senkt die Entwicklungskosten. Ein auf dem TMC428 basierendes 3-Achsen-Schrittmotor-Ansteuerungssystem (einschließlich des Schrittmotortreibers TMC236) zeichnet sich durch seine geringe Größe und einfache Steuerung aus und kann drei zweiphasige Schrittmotoren gleichzeitig ansteuern. 1. Hauptmerkmale: Der TMC428 ist ein kompakter und kostengünstiger Zweiphasen-Schrittmotor-Steuerchip. Er verfügt über zwei unabhängige SPI-Ports, die mit einem Mikroprozessor und einem Schrittmotortreiber mit SPI-Schnittstelle zu einem kompletten System verbunden werden können. Die Steuerbefehle werden vom Mikroprozessor über die SPI-Schnittstelle übermittelt. Der TMC428 bietet alle Funktionen der digitalen Bewegungssteuerung, darunter Positions-, Drehzahl- und Mikroschrittsteuerung – gängige Steuerungsfunktionen für Schrittmotoren. Würden diese Funktionen vom Mikroprozessor ausgeführt, würden sie viele Systemressourcen beanspruchen. Durch den Einsatz des TMC236 wird der Mikroprozessor entlastet, sodass Ressourcen für Schnittstellenerweiterungen und eine übergeordnete Steuerung der Schrittmotoren genutzt werden können. Der TMC236 ist zudem ein von TRINAMIC entwickelter Schrittmotortreiber mit serieller Schnittstelle. Eine Reihenschaltung aus drei TMC236-Mikrocontrollern ermöglicht die serielle Datenübertragung zwischen mehreren Geräten mit seriellen Schnittstellen. Der TMC428 kann über eine SPI-Schnittstelle mit diesen Geräten verbunden werden, um drei zweiphasige Schrittmotoren gleichzeitig anzusteuern. Die wichtigsten Merkmale des TMC428 sind: * Verfügbar in den Gehäusen SSOP16, SOP24 und DIL20 für verschiedene Anwendungen. * Gleichzeitige Ansteuerung von drei zweiphasigen Schrittmotoren mit jeweils unabhängigem Betrieb. * Steuerung von Motorposition und -geschwindigkeit anhand der vom Mikroprozessor bereitgestellten Bewegungsparameter (Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung). Generierung von Ansteuerimpulsen und -sequenzen entsprechend einem trapezförmigen oder dreieckigen Geschwindigkeitsmuster. Es verfügt über vier Betriebsmodi: RAMP und SOFT für die Positionsregelung sowie VELOCITY und HOLD für die Geschwindigkeitsregelung. * Mikroschrittsteuerung mit 6-Bit-Auflösung, einschließlich Vollschritt, Halbschritt und bis zu 64 Mikroschritten. Jeder Motor kann über eine individuell wählbare Mikroschrittauflösung verfügen. Die maximale Vollschrittfrequenz beträgt 20 kHz. • Die programmierbare Stromproportionalregelung ermöglicht den Betrieb des Motors mit unterschiedlichen Strömen unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Der Motorbetrieb kann in 8 Stufen gesteuert werden: 12,5 %, 25 %, 37,5 %, 50 %, 62,5 %, 75 %, 87,5 % und 100 % des Maximalstroms. • Zahlreiche Parameter können eingestellt werden, darunter maximale Beschleunigung, maximale Geschwindigkeit, Motorspulenstrom während der Beschleunigung und Positionshaltung, Mikroschrittauflösung, Parameter des Wellenformgenerators und des Impulsgenerators sowie über 20 weitere Parameter. • Bewegungsparameter (Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung) können online geändert werden. • Verfügt über eine serielle 4-Draht-SPI-Schnittstelle mit einem einfachen 32-Bit-Datenlängenprotokoll für die serielle Kommunikation. Einfache Bedienung. • Kann über einen weiteren SPI-Port mit einem Motortreiber verbunden werden, mit einer Datenübertragungsrate von bis zu 1 Mbit/s. • Geringer Stromverbrauch (1,25 mA, 4 MHz), großer Takteingangsbereich und Taktfrequenz bis zu 16 MHz. • CMOS/TTL-kompatible Stromversorgung mit 3,3 V oder 5 V. 2. Pinbelegung Abbildung 1 zeigt die Pinbelegung des TMC428 im SSOP16-Gehäuse. Die Funktionen der einzelnen Pins sind wie folgt: Pins 1, 2 und 3 (REF1, 2, 3): Referenzschaltereingänge 1, 2 und 3. Externe Endschalter können angeschlossen werden, um die interne Interruptfunktion des TMC428 auszulösen. Diese Funktion wird in diesem Artikel nicht verwendet. Pin 4 (TEST): Testpin. Wird bei Verwendung geerdet, und die Masse sollte so nah wie möglich am Pin liegen. Pin 5 (CLK): Takteingang. Pin 6 (nSCS_C): Chip-Select-Signaleingang für die SPI-Steuerschnittstelle, aktiv niedrig. Pin 7 (SCK_C): Takteingang für die SPI-Steuerschnittstelle. Pin 8 (SDI_C): Dateneingang für die SPI-Steuerschnittstelle. Pin 9 (SDO_C): Datenausgang für die SPI-Steuerschnittstelle, hochohmig. Pin 10 (SDO_S): Datenausgang für die SPI-Treiberschnittstelle. Pin 11 (SCK_S): Taktausgang für die SPI-Treiberschnittstelle. Pin 12 (nSCS_S): Chip-Select-Signalausgang für die SPI-Schnittstelle. Pin 13 (V5): +5-V-Versorgung. Pin 14 (V33): +3,3-V-Versorgung; sollte an einen externen 470-nF-Kondensator angeschlossen werden. Pin 15 (GND): Masse. Pin 16 (SDI_S): Dateneingang für die SPI-Schnittstelle; sollte an einen Pull-up- oder Pull-down-Widerstand angeschlossen werden. 3. Interner Aufbau und Funktionsprinzip Der interne Aufbau des TMC428 ist in Abbildung 2 dargestellt. Der TMC428 besteht aus Registern und On-Chip-RAM in verschiedenen Einheiten. Intern umfasst er zwei externe serielle Schnittstellen, einen Wellenformgenerator und einen Impulsgenerator, eine Mikroschritteinheit, einen Multiport-RAM-Controller und einen Interrupt-Controller. Abbildung 2: Interner Aufbau des TMC428. Der TMC428 empfängt Steuerbefehle vom Mikroprozessor und führt anschließend Lese- und Schreibvorgänge auf den Registern und dem RAM des TMC428 durch, indem er Datenpakete fester Länge sendet und empfängt. Die Funktionen der Register und des On-Chip-RAM des TMC428 unterscheiden sich. Die Register speichern die allgemeinen Motorkonfigurationsparameter und Bewegungsparameter, während der On-Chip-RAM die Konfiguration der seriellen Schnittstelle des Treibers und die Mikroschritttabelle speichert. Die allgemeinen Motorparameter beziehen sich auf die Konfiguration des TMC236 in der Treiberkette. Zu den Bewegungsparametern gehören die aktuelle Position, die Zielposition, die maximale Geschwindigkeit, die maximale Beschleunigung, das Stromverhältnis, die Parameter des Wellenform- und Impulsgenerators sowie die Mikroschrittauflösung für jeden Motor. Der On-Chip-RAM verfügt über einen 64-Adressen-Datenspeicher, wobei jede Adresse 24 Bit Daten speichert. Die ersten 32 Bit konfigurieren die seriellen Kommunikationsdatenpakete für die Treiberkette, die letzten 32 Bit enthalten die Mikroschritttabelle. Nach der Initialisierung sendet der TMC428 automatisch Datenpakete an jeden TMC236 in der Kette; die serielle Schnittstelle des Treibers arbeitet somit nach der Initialisierung automatisch ohne Eingriff des Mikroprozessors. Die Motorsteuerung erfolgt durch einfaches Schreiben von Position und Geschwindigkeit in die entsprechenden Register. Der Multiport-RAM-Controller des TMC428 steuert den Datenzugriff. Dadurch kann der Mikroprozessor jederzeit Daten aus Registern und dem On-Chip-RAM lesen und schreiben. Der Wellenformgenerator verarbeitet die in den Registern gespeicherten Bewegungsparameter und berechnet die Motordrehzahlkurve. Der Impulsgenerator erzeugt Schrittimpulse basierend auf der vom Funktionsgenerator berechneten Drehzahl. Sobald ein Schrittimpuls generiert wird, sendet die serielle Schnittstelle des TMC428-Treibers automatisch Datenpakete an die Schrittmotortreiber-Kette, um den Schrittmotor anzusteuern. Bei Verwendung der Mikroschrittsteuerung verarbeitet die Mikroschritteinheit die vom Impulsgenerator erzeugten Schrittimpulse und generiert gleichzeitig Voll-, Halb- und Mikroschrittimpulse entsprechend der gewählten Mikroschrittauflösung. Diese werden über die serielle Schnittstelle des Treibers an die Treiberkette gesendet. Die serielle Schnittstelle des Treibers dient der Kommunikation zwischen dem TMC428 und der Treiberkette. Die Länge des seriellen Datenpakets vom TMC428 zum Treiber ist konfigurierbar, um SPI-Ringstrukturen mit Schaltungen unterschiedlicher Typen und Hersteller zu unterstützen. Die maximale Datenlänge beträgt 64 Bit. Nach der Initialisierung wird die Kommunikation zwischen dem TMC428 und dem Schrittmotortreiber automatisch hergestellt. Verschiedene Treibertypen mit SPI-Schnittstellen lassen sich zu einer Reihenschaltung kombinieren und an den TMC428 anschließen. 4. Anwendung 4.1 Kompatibilität Der TMC428 ist mit Schrittmotortreibern der meisten Hersteller kompatibel. Er kann direkt an Schrittmotortreiber mit SPI-Ports oder über zusätzliche Geräte an gängige Treiber mit Parallelport angeschlossen werden. Selbst Schrittmotortreiber mit Schritt- und Richtungseingängen lassen sich mit dem TMC428 steuern. Durch die Kombination des Schrittmotortreibers TMC236 in einer einfachen seriellen Reihenschaltung und den Aufbau eines 3-Achsen-Schrittmotorsteuerungssystems mit dem TMC428 werden dessen Funktionen optimal genutzt. 4.2 Statusüberwachung: Die Echtzeitüberwachung des Betriebszustands des Motors ist entscheidend für die Sicherheit und Steuerung des gesamten Systems. Der TMC428 bietet eine Statusüberwachungsfunktion. Jedes Mal, wenn der Prozessor ein Datenpaket an den TMC428 sendet, übermittelt dieser die Daten zurück. Die meisten Motoransteuerschaltungen mit seriellen Schnittstellen liefern verschiedene Statusbits (Betrieb, Ausfall usw.) und Fehlerflags (Kurzschluss, Unterbrechung, Überhitzung usw.). Der TMC428 kann somit jederzeit die aktuellen Motorbewegungsparameter, den Betriebsmodus und die Statusbits bereitstellen. Das vom Motoransteuergerät an den TMC428 zurückgesendete Datenpaket ist 48 Bit lang. Der TMC428 speichert diese Informationen in zwei 24-Bit-Registern. Dadurch kann der Mikroprozessor die Informationen direkt aus diesen Registern lesen. 5. Systemkonfiguration und Anwendung: Der Autor verwendet einen DSP als Mikroprozessor des Systems und kombiniert diesen mit dem TMC428 und dem TMC236 zu einem Schrittmotor-Ansteuerungssystem. Der TMC236 integriert eine Dual-Vollbrücken-Ansteuerschaltung aus HVCMOSFETs, die einen bipolaren Zweiphasen-Schrittmotor mittels Konstantstrom-Chopper ansteuert und sich durch geringen Stromverbrauch und hohen Wirkungsgrad auszeichnet. Abbildung 3 zeigt das Schaltbild eines 3-Achsen-Motortreibers, bestehend aus drei TMC236-Mikrocontrollern und gesteuert vom TMC428. Abbildung 3: Hierarchisches 3-Achsen-Schrittmotor-Ansteuersystem basierend auf dem TMC428. Wie aus Abbildung 3 ersichtlich, bietet das System mit dedizierter Schrittmotor-Steuerung und Treiberschaltung Vorteile wie einfache Peripherieschaltung, hohe Störfestigkeit und Zuverlässigkeit, wodurch die Entwicklungskosten der Steuerschaltung reduziert werden. Das Gesamtsystem benötigt neben der Stromversorgung nur fünf ICs und ist daher kompakt, einfach zu steuern und besonders geeignet für den Betrieb von 3-Achsen-Schrittmotoren. Experimente haben gezeigt, dass der von diesem Treiber gesteuerte Schrittmotor eine hohe Positioniergenauigkeit, gute Beschleunigungs- und Verzögerungseigenschaften sowie ein exzellentes Start-Stopp- und Rückwärtsverhalten aufweist.