TMC5130应用笔记

　　1步进电机简介
　　步进电机是一种将电脉冲信号转换程机械唯一的机电执行元件。每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），顺序连续的发给脉冲，则电机轴一步接一步的运转。
　　1。1步进电机结构
　　步进电机主要由转子和定子构成。结构如图1。1。1所示：
　　图1。1。1电机结构示意图
　　1。2步进电机基本参数
　　（1）相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。
　　（2）拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。
　　（3）步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。360度（转子齿数J运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为360度（504）1。8度（俗称整步），八拍运行时步距角为360度（508）0。9度（俗称半步）。
　　（4）定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。
　　2TMC5130硬件连接
　　TMC5130的电路图如图2。1所示。单片机与TMC5130通讯方式为SPI。
　　图2。1TMC5130电路图
　　3TMC5130各模块说明及配置
　　本设计中所用TMC5130的晶振为16MHz，阻值为100m。本设计的所有计算均以图3。1电机参数为例进行计算。
　　图3。1电机参数示例
　　3。1stealthChop
　　stealthChop是对步进电机的一种非常安静的电机操作模式。基于电压模式PWM脉宽调制技术，主要是在低速和静止时使电机几乎静音。
　　3。1。1两种电流管理模式
　　两种模式为：电流反馈的自动模式（pwmautoscale1）和速度前馈控制模式（pwmautoscale0）。一般选用前者。在此需要设置PWM的频率。一般其频率应在3050kHz。由于本电路中芯片选用的晶振频率为16MHz，由表31所示，若选择PWM频率为46。9kHz，因此寄存器PWMCONF（0x70）的16和17位的pwmfreq0和pwmfreq1设置为01。
　　表31
　　表32
　　寄存器名称
　　寄存器地址
　　位名称
　　位数
　　设置值
　　1hrPWMCONF
　　0x70
　　pwmfreq0
　　16hr0hr2hrpwmfreq1
　　17hr1hr3hrpwmautoscale
　　18hr1hr3。1。2AutomaticScaling
　　驱动程序测量斩波电流并用比例调节器来管理PWMSCALE以达到调节电机电流达到目标电流的目的。PWMGRAD是该调节器的比例系数。由于电机供电电压和电机温度往往变化缓慢，因此PWMGRAD设置为最小值1。
　　在自动电流调节模式（pwmautoscale1）下，PWMGRAD设置应针对所需的最快加速斜坡进行优化。使用电流探头检查电机电流在（快速）加速期间。设置为1可能会导致调节过慢，而设置为15会对速度变化产生快速响应，但可能会在某些星座中产生调节不稳定性。一般设置为4。
　　表33
　　3。1。3VelocityBasedScaling
　　3。1。4stealthChop和spreadCycle相结合
　　对于需要高速运动的应用，spreadCycle在高速运行更稳定。为了将无噪音与最高的动态性能相结合，可以设置速度阈值将spreadCycle和stealthChop结合在一起（图3。2）。stealthChop只在低于这个速度阈值时有效。
　　3。2采样电阻选择
　　3。3stallGuard2负载检测
　　图3。3。1SG变化图
　　如图3。3。1所示，当负载增大时，SGT值减小。SG值要根据具体系统测试所得。
　　图3。4。1斜坡发生器运动寄存器3。4。1位置说明
　　如图3。4。1所示：对于寄存器XACTUAL，其单位为usteps，即1微步。若XACTUAL设置值为10000，其意义为发送10000个脉冲，电机运行10000微步。3。4。2速度说明
　　3。4。3加速度说明
　　3。5编码器
　　TMC5130的编码器为增量式编码器接口，如图3。5。1所示。
　　图3。5。1
　　本设计中所用的编码器接口如图3。5。2所示（接口为DB15公头）。
　　图3。5。2编码器接口
　　编码器连接简图如图3。5。3所示，A、B为正交信号，N为信号清除。（A、B、E信号暂时没用）
　　图3。5。3编码器连接简图
　　最大连续计数频率受输入滤波限制为fCLK的23，由于本设计中fCLK16MHz，所以最大连续计数频率约为10。7MHz。
　　表3。51
　　光栅尺栅距
　　20um
　　光栅尺分辨率
　　0。1um
　　编码器分辨率
　　0。1um
　　编码器可检测的最高速度
　　0。25ms
　　编码器时钟
　　4MHz
　　编码器接口为Ri接口，编号为RI0200A04B，编号意义如图3。5。4所示。
　　编码器资料：https：wenku。baidu。comviewd319ed795ef7ba0d4b733b25。html
　　3。6问题汇总
　　（1）左右限位开关停止问题
　　调试过程出现问题：
　　首先使能右参考开关有效时电机停止，其次输入有效电平，但电机不停止。
　　问题原因：
　　使能右参考开关有效时电机停止后，只能电机向右运转时同时检测到有效电平，电机才会停止；若此时电机向左运转，即使检测到有效电平，电机也不会停止。
　　解决方法：
　　将TMC5130的寄存器0x34的bit4置高，即交换左右参考开关输入REFL和REFR。
　　（2）位置模式下电机无法停止
　　问题描述：
　　比如驱动一个电机，在位置模式驱动电机到4433198这个位置，就是把4433198这些脉冲写入TMC5130XTARGET（0x2D）寄存器，但当读取TMC5130XACTUAL（0x21）时发现这个寄存器的值一直在4433198附近跳动，一直读不到电机停止。
　　问题原因：
　　运动斜坡设置有误。一般VSTART要大于VSTOP，V1要等于约一半VMAX。
　　（3）电机实现撞停时由于SGT阈值比较粗会使得电机在比较大的阈值下无法撞停，而减小了阈值会使电机无法运行。
　　这个问题不太好解决