代码收藏家技术教程 2024-02-24

TMC5160嵌入式硬件说明书

1.简介

1.1基本参数/概念

1.1.1基本参数

1）线圈电流最大20A（外部MOSFET）；

2）带SixPoint斜坡的运动控制；

3）带有微步插值MicroPlyer 的步进/方向接口；

4）电压范围8-60V DC；

5）SPI和单线UART；

6）编码器接口、2个参考开关输入；

7）最高分辨率 256微步/全步；

8）StealthChop2™ 提供安静的操作和平稳的运动；

9）中频谐振的谐振阻尼；

10）spreadCycle™ 高动态电机控制斩波器；

11）dcStep™负载相关速度控制；

12）StallGuard2™高精度无传感器电机负载检测；

13）CoolStep™电流控制可实现高达75%的节能；

14）被动制动和自由滑行模式；

1.1.2基本概念

1）不需要SPI配置的算法：

（1）StealthChop2™ ：无噪音，高精度斩波器算法，适用于电机的听不见的运动和静止。允许比StealthChop更快的电机加速和减速™并将StealthChop扩展到低静止电机电流。

（2）SpreadCycle™ ：高精度斩波器算法，适用于高动态运动和绝对干净的电流波形。低噪声、低共振、低振动斩波器。

（3）MicroPlyer™ ：微步插值器，用于从全步开始以较低分辨率的步长输入获得完整的256微步平滑度。

2）需要SPI配置的算法：

（1）DcStep™： 负载相关速度控制。电机以尽可能快的速度移动，并且从不失步。

（2）StallGuard2™ ：无传感器失速检测和机械负载测量。

（3）CoolStep™ ：负载自适应电流控制可将能耗降低75%。

1.2基本原理

1.2.1三种模式

TMC5160通过两个引脚来控制它的工作模式：SD_MODE 和 SPI_MODE。

1）全功能运动控制器和驱动器（SPI控制）

当SD_MODE接地，SPI_MODE拉高，TMC5160即工作在该模式。

所有步进电机逻辑完全在TMC5160内。不需要任何软件来控制电机，只需提供目标位置即可。通过绑定低引脚SD_mode启用此模式。

在该模式下，用户通过SPI接口来设置TMC5160的寄存器。TMC5160使用自己的梯形曲线发生器来控制步进电机转动，用户需要设置：开始运动速度VSTART、第一段折线末速度V1、最大速度VMAX、停止速度VSTOP、第一段折线的加速度A1、第二段折线加速度AMAX、第四段折线的减速度DMAX、第五段折线的减速度D1。把上面的参数设置好，再设置工作模式：速度模式和位置模式。最后再设置目标位置。

如果是速度模式运行，不需要设置目标位置，电机就会开始转动。如果是位置模式，则需要设置目标位置，且目标位置与电机当前位置值不同电机才会转动。下图中的红线是电机的实际速度，不管是速度模式还是位置模式，电机的运行过程会按照下图来进行。

2）步进和方向驱动器（SPI配置、STEP/DIR控制）

当SD_MODE接高电平，SPI_MODE拉高，TMC5160工作在模式。

在该模式下，用户通过SPI接口来设置TMC5160的寄存器。TMC5160的功能和DRV8825类似，外界通过脉冲和方向引脚来控制步进电机运动。

TMC4361等外部高性能S斜坡运动控制器或中央CPU生成同步的步进和方向信号。TMC5160负责智能电流和模式控制，并提供电机状态反馈。MicroPlyer可自动平滑运动。将SD_MODE连接到高电平。

3）简单步进和方向驱动器（CFG配置、STEP/DIR控制）

当SD_MODE接高电平，SPI_MODE接地，TMC5160工作在该模式下。

在该模式下，SPI接口失能，TMC5160的工作状态由CFG引脚配置，外界通过脉冲和方向引脚来控制步进电机运动。TMC5160可以完全独立工作，不需要接CPU。

TMC5160根据步进和方向信号定位电机。MicroPlyer可自动平滑运动。不需要CPU交互；配置由硬件引脚完成。TMC5160可以进行基本的待机电流控制。可选的反馈信号允许错误检测和同步。通过将引脚SPI_mode连接到低电平和SD_mode高电平来启用此模式。

1.3控制接口

TMC5160同时支持SPI接口和带CRC检查的基于UART的单线接口。此外，在不使用串行接口的情况下，为纯STEP/DIR操作提供了独立模式。实际接口的选择是通过配置引脚SPI_MODE和SD_MODE完成的，这两个引脚可以硬连线到GND或VCC_IO，具体取决于所需接口。

1）SPI接口

SPI 接口是与总线时钟同步的串行位接口。当 SPI 主设备发送数据到从设备时，从设备同时会向主设备返回数据。SPI 主机和 TMC5160 之间的通信包括一条 40 位发送命令字和一条 40 位接收状态字。

每个完整电机运动过程通常是由多条命令构成。

2）UART接口

单线接口允许类似RS485（使用SWP和SWN）或单线接口（保持SWN打开）的差分操作。它可以由任何标准UART驱动。不需要波特率配置。

2.引脚描述

2.1引脚

TQFP格式
Pin	引脚名称	类型	描述
1	HB1		高侧栅极驱动器输出
2	CB1		自举电容器正极连接
3	12VOUT		内部电压调节器的 11.5V 电压输出,用于栅极驱动器下管的门级控制。为获得最佳性能，建议接 2.2μF 至 10μF 陶瓷电容器到引脚附近的地（地平面）。通常建议容值比自举电容的容值至少大 10 倍。如果功率器件的栅极电压由外部电压供应，将 VSA 和 12VOUT 接到外部电源。
4	VSA		11.5V和5V稳压器的模拟电源电压。通常与VS相连，滤波电容 100nf
5	5VOUT		内部 5V 调节器的输出。为获得最佳性能，建议接 2.2μF 至 10μF 陶瓷电容器到引脚附近的地 GNDA。5VOUT 输出给芯片的 VCC 供电。
6	GNDA		模拟地。连接到引脚附近的GND平面。
7	SRAL	AI	A 相采样电阻的地。直接连到采样电阻的 GND，以补偿 GND 互连上的电压降。
8	SRAH	AI	A 相采样电阻。连到采样电阻的上侧。对于高电机电流，开尔文连接是优选的。可在 SRAL 和 SRAH 设计对称 RC 滤波，以消除来自其他驱动器或线圈 B 开关的高频开关尖峰
9	SRBH	AI	B 相采样电阻。连到采样电阻的上侧。对于高电机电流，开尔文连接是优选的。可在 SRBL 和 SRBH 设计对称 RC 滤波，以消除来自其他驱动器或线圈 A 开关的高频开关尖峰
10	SRBL	AI	B 相采样电阻的地。直接连到采样电阻的地，以补偿地之间互连上的电压降
11	TST_MODE	DI	测试模式输入。用短导线连接到GND。
12	CLK	DI	CLK输入。连接到GND时使用内部时钟或提供外部时钟。内部时钟故障转移电路可防止外部时钟信号丢失。
13	CSN_CFG3	DI	SPI_MODE=1： SPI 片选信号(低有效) SPI_MODE=0：配置输入脚
14	SCK_CFG	DI	SPI_MODE=1： SPI 时钟信号 SPI_MODE=0：配置输入脚
15	SDI_CFG1	DI	SPI_MODE=1： SPI 数据输入信号 SPI_MODE=0：配置输入脚或单线接口的下一个地址输入( NAI )。
16	SDO_CFG0	DIO	SPI_MODE=1： SPI 数据输出信号 SPI_MODE=0：配置输入或单线接口的下一个地址输出( NAO )。
17	REFL_STEP	DI	SD_MODE = 0 : 左参考输入(用于内部斜坡发生器) SD_MODE = 1 : 步进信号输入
18	REFR_DIR	DI	SD_MODE = 0 : 右参考输入(用于内部斜坡发生器) SD_MODE = 1 : 方向信号输入
19	GNDD		数字地
20	VCC_IO		所有数字引脚的3.3V至5V IO电源电压。
21	SD_MODE	DI	模式选择输入。 SD_MODE =0 : 内部斜坡发生器产生步进信号 SD_MODE = 1 : STEP / DIR 输入引脚控制驱动器 SD _ MODE = 0 和 SPI _ MODE = 0 使能 UART 操作
22	SPI_MODE	DI	模式选择输入。 SPI_MODE =0 : 芯片处于独立模式，引脚具有 CFG 功能 SPI_MODE = 1 :使能 SPI 接口内部集成下拉电阻
23	ENCB_DCEN_ CFG4	DI	在内部斜坡发生器模式下，编码器 B 通道输入 SD _ MODE = 1，SPI _ MODE = 1 : dcStep 使能输入 .如果没有使能的 dcStep，该引脚开路或者接到地,以确保正常工作 SPI_MODE=0：CFG 配置输入引脚
24	ENCA_DCIN_ CFG5	DI	在内部斜坡发生器模式下，编码器 A 通道输入 SD _ MODE = 1，SPI _ MODE = 1 : dcStep 门信号，用于同步控制； SPI_MODE=0：CFG 配置输入引脚
25	ENCN_DCO_ CFG6	DIO	SD_MODE =0 :编码器 N 信号输入，或 dcStep 就绪输出信号( SD _ MODE = 1 ) SD_MODE=0，如果没有编码器，将该信号拉高或者接地。
26	DIAG0_SWN	DIO	诊断输出信号 DIAG0. SD_MODE=0, SPI_MODE=1：运动控制器的中断输出或步进输,在漏电极开路模式下，使用 47k 或更小的外部上拉电阻； SD_MODE=0 , SPI_MODE=0：单线 I / O 通讯的负端信号
27	DIAG1_SWP	DIO	诊断输出信号 DIAG1. SD_MODE=0, SPI_MODE=1：运动控制器的位置比较输出或方向输出。在漏电极开路模式下，使用 47k 或更小的外部上拉电阻； SD_MODE=0 , SPI_MODE=0：单线 I / O 通讯的正端信号
28	DRV_ENN	DI	使能输入。当该引脚被驱动到高电平时，功率 MOSFET 输出关闭(所有电机输出为悬浮（FLOATING）状态)。
29	VCC		芯片内数字电路的5V电源输入。
30	VCC		芯片内数字电路的5V电源输入。为引脚附近的GND（GND平面）提供100nF或更大的电容器。应由5VOUT提供。建议使用2.2或3.3欧姆电阻器将噪声与5VOUT解耦。当使用外部电源时，确保VCC出现在5VOUT或VCC_IO之前或与之并联，以较晚出现的为准
31	CPO		电荷泵电容器输出
32	CPI		电荷泵电容器输入。使用22nF 100V电容器连接至CPO
33	VS		电机供电电压。在引脚附近提供滤波能力，并将短环路连接到GND平面。必须连接到正电桥电源电压
34	VCP		充电泵电压。使用100nF电容器连接到VS
35	CA2		自举电容器正极连接
36	HA2		高侧栅极驱动器输出
37	BMA2		桥接中心和自举电容器负连接
38	LA2		低侧栅极驱动器输出
39	LA1		低侧栅极驱动器输出
40	BMA1		桥接中心和自举电容器负连接
41	HA1		高侧栅极驱动器输出
42	CA1		自举电容器正极连接
43	CB2		自举电容器正极连接
44	HB2		高侧栅极驱动器输出
45	BMB2		桥接中心和自举电容器负连接
46	LB2		低侧栅极驱动器输出。
47	LB1		低侧栅极驱动器输出。
48	BMB1		桥接中心和自举电容器负连接

3.工作配置

3.1独立工作模式（CFG配置、STEP/DIR控制）

3.1.1引脚设置

1）CFG0/CFG1：STEP输入的细分配置

CFG1	CFG0	细分设置
GND	GND	8微步，MRES=5
GND	VCC_IO	16微步，MRES=4
VCC_IO	GND	32微步，MRES=3
VCC_IO	VCC_IO	64微步，MRES=2

2）CFG4/CFG3/CFG2: 运行电流配置

CFG4	CFG3	CFG2	IRUN设置
GND	GND	GND	IRUN=16
GND	GND	VCC_IO	IRUN=18
GND	VCC_IO	GND	IRUN=20
GND	VCC_IO	VCC_IO	IRUN=22
VCC_IO	GND	GND	IRUN=24
VCC_IO	GND	VCC_IO	IRUN=26
VCC_IO	VCC_IO	GND	IRUN=28
VCC_IO	VCC_IO	VCC_IO	IRUN=30