论文研究-基于MSP430和TMC429的步进电机细分控制系统设计 .pdf-资料库

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中国科技论文在线基于 MSP430 和 TMC429 的步进电机细分 http://www.paper.edu.cn 控制系统设计# 殷永，刁爱梅，陈玲玲，胡丹峰** （苏州大学电子信息学院，江苏苏州 215006）摘要：利用步进电机专用驱动芯片 TMC429 和 MSP430 系列单片机，设计了光声成像过程中带动测试样品旋转的控制系统。阐述了项目的背景和系统方案，介绍了利用 TMC249 进行步进电机细分控制以及单片机进行配置的方法。实验结果证明系统运转稳定可靠。关键词：单片机；步进电机；细分驱动；TMC429 中图分类号：TP23 The design of stepper subdivision control system based on MSP430 and TM429 YIN Yong, DIAO Aimei, CHEN Lingling, HU Danfeng (School of Electronics and Information, Soochow University, JiangSu SuZhou 215006) Abstract: Based on the dedicated stepper motor driver chip TMC429 and MSP430, a control system is designed to drive the test sample rotating in the process of photoacoustic imaging. Described the project background and system solutions, introduced the stepper motor subdivision control method with using of TMC249 and the configuration method with MCU. The experiment results proved the system is stable and reliable. Keywords: microcontroller; stepper motor; subdivision driver; TMC429 0 引言光声成像是近年发展起来的一种基于光声效应的新型无损医学成像技术，其物理基础是 Bell 在 1880 年发现的光声效应：当电磁波照射于物质时，物质吸收电磁波能量产生热，周期性的热流使周围的介质热胀冷缩，从而激发出声波，其本质是能量的转换。在生物组织的光声成像过程中，通常使用激光作为激励源照射组织，从而激发出兆赫兹级的超声信号作为信息载体，对采集到的一组声信号进行图像重建以得到组织内部的电磁吸收分布图像。利用 5 10 15 20 25 生物组织中光吸收系数的差异，光声成像可以有效地用来进行结构成像、功能成像和分子成像[1]。 30 在目前常见光声成像系统中，其中一种方式是使用脉冲激光信号照射待测生物组织样品，通过超声换能器采集样品一周的光声信号[2]。在这种实验方式下，无论是超声探头旋转，还是样品旋转，都需要能够实现定位的信号采集。同时，如果在一周中采集信号的位置越多，获得的数据量也就越大，从而后续重建算法得到的光声图像的质量也就越好。根据以上的需 35 求，本设计中采用步进电机作为样品或超声探头旋转的驱动部件，并且通过细分控制技术提高实验中的定位精度。基金项目：本项目得到苏州市科技计划项目“基于多谱光声成像的小动物疾病实验系统设计”（编号： SYG201113）；江苏省大学生实践创新训练计划 “光声成像重建算法的研究”（编号：111028527）立项资助。作者简介：殷永，（1989-），男，本科生，主要研究方向：单片机及嵌入式系统。通信联系人：胡丹峰，（1978-），男，讲师，主要研究方向：信号处理。E-mail: hdf78@suda.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线 1 系统方案 http://www.paper.edu.cn 步进电机又称脉冲电动机，它的工作原理是将离散的电脉冲信号转化为机械角位移或直线位移的执行元件[3]。即当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。其中混合式步进电机的精度高、容易控制，从而应用最为广泛。在本项目中即采用混合式两相四线型步进电机 57H2P5130A4 。步进电机具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，但是步进电机受到制造工艺等因素的限制，其步距角一般比较大，在低频运行时振动较大，容易产生共振[4]。在本系统中，为了实现稳定的转动、采集位置点数的增加以及高精度的定位，需要对步进电机进行细分控制。其基本思想是控制每相绕组电流的波形，使其阶梯地上升或下降，即在零值和最大值之间给出多个稳定的中间状态，定子磁场的旋转过程中也就有了多个稳定的中间状态，对应于步进电机则转子旋转的步数增多、步距角减小，即电流逐次、小步奏、台阶式地增加或减小。本系统中采用 MSP430F149 单片机为微控制器，通过 SPI 同步串行通信配置 TMC429 芯片，利用 TMC429 强大的细分功能，控制大电流可细分步进电机驱动芯片 TMC249，从而使实现步进电机的细分驱动，其原理框图如图 1 所示。微控制器步进电机 TMC249 SPI TMC429 SPI 40 45 50 55 图 1 系统原理框图 Fig. 1 System block diagram 60 2 硬件设计 2.1 单片机系统设计本系统的电路设计中，采用的微控制器为美国德州仪器(TI)公司的 MSP430 系列[5]单片机，这是一种具有超低功耗特性的功能强大的单片机，具有如下特点： 1) 功耗低。电压 2.2V、1MHz 时，活动模式电流仅为 280uA；在关闭模式下，电流仅为 65 0.1uA；有五种低功耗模式； 2) 唤醒时间短，从低功耗模式下唤醒仅为 6us； 3) 指令丰富，时钟频率高。它具有高效 16 位 RISC2CPU,27 条指令,8MHz 时钟频率； 4) 时钟系统灵活，有两个外部时钟和一个内部时钟； 5) 支持串行在线编程能力； 6) 中断功能丰富等。电路的最小系统如图 2 所示。 70 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 75 80 85 图 2 MSP430F149 最小系统 Fig. 2 MSP430F149 minimum system 2.2 步进电机驱动时序电路设计本设计中使用的 Trinamic 公司 TMC429 芯片[6]是一款高性能步进电机控制芯片，它能同时控制三个两相步进电机正常独立运行。其具有如下优点： 1、微步数目可观，最高允许 6 位微步（即 64 细分），能够保证电机稳定运转； 2、能同时控制三个步进电机的细分； 3、一经初始化，它可自动根据设定的速度和位置，并且支持在线更改设置； 4、传输速度快，SPI 数据传输速率最高可达 1Mbit/s，时钟频率最高为 32MHz，全步的最高频率为 20kHz； 5、可以根据电流大小自动调整加速度大小。在步进电机运行前，首先通过单片机初始化 TMC429 的 RAM 区域微步表，然后发送数据包来设置全局变量寄存器和其他功能寄存器，在发送启动命令后，TMC429 便能根据预先 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 设定的速度、加速度、位置等参数自发控制步进电机运行。这部分的电路如图 3 所示。 90 95 图 3 步进电机驱动时序电路 Fig. 3 Stepper motor driver timing circuit 2.3 驱动放大电路设计 TMC249[7]是 Trinamic 公司的一款与 TMC429 配套的高电流驱动芯片。它集成了集成无传感器的失速探测功能（StallGuard）和负荷测量功能；使用 12 位的数据包协议，便于通过 SPI 总线进行配置；带有短路、过压和过温度的保护电路；负载开路、过流、过温、温度预警状态标志等，支持高达 6A 的线圈电流，且其内部 DAC 允许智能微电流控制。TMC249 较强的驱动能力和 TMC249 形成了很好的搭配，同时可以将电机在运转中的故障信息反馈给 TMC429。其电路如图 4 所示。 100 3 软件设计图 4 驱动放大电路 Fig. 4 Driver amplifier circuit 系统软件的设计主要分为单片机的初始化、配置 TMC429、电机运转控制、串口通信等模块。其中 MSP430F149 单片机的初始化包括端口配置、时钟频率选择、SPI 发送端口配置等。对于 TMC429 的配置，则应当按照如下步骤进行： 105 1、微控制器发送数据包，配置 TMC429 的 RAM 区域（主要是微步表）； 2、初始化全局参数寄存器，设置 LSMD、polarities 等参数； - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 110 3、配置步进电机设置寄存器，设定 v_min、v_max 参数，时钟预分频 pulse_div 和 ramp_div 参数； 4、设置加速度 a_max 和 pmul、pdiv 参数； 5、设置 ref_conf，选择比较开关的模式；这样，通过上位机给定目标位置 x_target 和目标速度 v_target，即可启动步进电机运行。当电机运行到预设的采集信号的位置时，停止运行，等待下一步的运行指令。软件的流程图如图 5 所示。 115 120 125 130 图 5 软件流程图 Fig. 5 Software flow diagram 4 结论根据以上方案设计的步进电机细分控制系统能够实现对步距角最大可达 64 的细分，改善了步进电机在低频时的振荡问题，在实际运行时平稳可靠，具有良好的调速性能。在上位机软件的控制下，步进电机能够驱动旋转平台准确快速的定位，并能根据需求在 1-64 之间调节细分数目，满足了光声成像系统中数据采集对采样点位置定位精度的需求。 [参考文献] (References) [1] 谷怀民，杨思华，向良忠. 光声成像及其在生物医学中的应用[J]. 生物化学与生物物理进展期刊，2006， 33（5）： 431-437. [2] Xie W, Li H, Li Z, et al. New photoacoustic imaging modality for imaging internal organs based on single focus ultrasonic transducer[C]. Proc. SPIE 7850, Optoelectronic Imaging and Multimedia Technology, 2010. 785004 [3] 吴志红, 王云韬，朱元. 基于 XC2267M 的仪表盘步进电机控制[J]. 今日电子，2010（3）：51-53. - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn [4] 张明. 步进电机的基本原理. 科技信息期刊[J]. 2007（9）：83. [5] Texas Instruments Incorporated. MSP430x14x Mixed Signal Microcontroller Datasheet [Z]. TI 公司, 2004: 1-62. [6] TRINAMIC Microchips GmbH Incorporated. TMC429 Datasheet [Z]. TRINAMIC 公司, 2011: 1- 66. [7] TRINAMIC Microchips GmbH Incorporated. TMC249 Datasheet [Z]. TRINAMIC 公司, 2011: 1- 30. 135 - 6 -

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