步進(jìn)驅(qū)動(dòng)方案-TMC5160和TMC2160的使用?

一、TMC5160和TMC2160可以PIN對(duì)PIN替換，TMC5160自己帶有梯形曲線加速功能，這是它與TMC2160唯一的區(qū)別。因此下面都以TMC5160來(lái)做介紹。

二、TMC5160的3種工作模式
TMC5160通過(guò)兩個(gè)引腳來(lái)控制它的工作模式：SD_MODE和SPI_MODE。
1、當(dāng)SD_MODE接地，SPI_MODE拉高，TMC5160即工作在模式1。在該模式下，用戶通過(guò)SPI接口來(lái)設(shè)置TMC5160的寄存器。TMC5160使用自己的梯形曲線發(fā)生器來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，用戶需要設(shè)置：開(kāi)始運(yùn)動(dòng)速度VSTART、第一段折線末速度V1、最大速度VMAX、停止速度VSTOP、第一段折線的加速度A1、第二段折線加速度AMAX、第四段折線的減速度DMAX、第五段折線的減速度D1。把上面的參數(shù)設(shè)置好，再設(shè)置工作模式：速度模式和位置模式。最后再設(shè)置目標(biāo)位置。
如果是速度模式運(yùn)行，不需要設(shè)置目標(biāo)位置，電機(jī)就會(huì)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。如果是位置模式，則需要設(shè)置目標(biāo)位置，且目標(biāo)位置與電機(jī)當(dāng)前位置值不同電機(jī)才會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。下圖中的紅線是電機(jī)的實(shí)際速度，不管是速度模式還是位置模式，電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程會(huì)按照下圖來(lái)進(jìn)行。

2、當(dāng)SD_MODE接高電平，SPI_MODE拉高，TMC5160工作在模式2。在該模式下，用戶通過(guò)SPI接口來(lái)設(shè)置TMC5160的寄存器。TMC5160的功能和DRV8825類似，外界通過(guò)脈沖和方向引腳來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。
3、當(dāng)SD_MODE接高電平，SPI_MODE接地，TMC5160工作在模式3。在該模式下，SPI接口失能，TMC5160的工作狀態(tài)由CFG引腳配置，外界通過(guò)脈沖和方向引腳來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。TMC5160可以完全獨(dú)立工作，不需要接CPU。

三、TMC5160的功能模塊

TMC把自己的功能分為下面幾個(gè)獨(dú)立的功能模塊：
1、stealthChop2：使用電壓PWM斬波，電機(jī)絕對(duì)無(wú)噪聲，但只能用于電機(jī)低速狀態(tài)。
2、spreadCycle：使用傳統(tǒng)的恒流斬波，斬波周期中的MOS管打開(kāi)時(shí)間、快衰減時(shí)間、滿衰減時(shí)間都可以控制。
3、stallGuard2：通過(guò)測(cè)量電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量電機(jī)的負(fù)載。測(cè)量到了負(fù)載，就可以根據(jù)負(fù)載自適應(yīng)調(diào)節(jié)電流，檢測(cè)堵轉(zhuǎn)等。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速太低（比如1秒1圈），反電動(dòng)勢(shì)太小，或者電機(jī)轉(zhuǎn)速太高，反電動(dòng)勢(shì)達(dá)到電源電壓導(dǎo)致線圈無(wú)法輸出正弦電流，都會(huì)導(dǎo)致stallGuard2不能正常測(cè)量。
4、coolStep：根據(jù)stallGuard2測(cè)量的負(fù)載值，自動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流，使之最小。
5、dcStep：根據(jù)驅(qū)動(dòng)電流和負(fù)載，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)速度，使之最大而不失步。當(dāng)負(fù)載增加，速度會(huì)自動(dòng)降低。
6、microPlyer：細(xì)分內(nèi)插器。當(dāng)工作于模式2和3，外部輸入STEP信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，microPlyer可以自動(dòng)在兩個(gè)STEP脈沖之間插入2到256個(gè)微步，來(lái)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)更加平滑。microPlyer會(huì)測(cè)量?jī)蓚€(gè)STEP脈沖之間的間隔，來(lái)把他們等分為2到256份，TMC5160就自動(dòng)以2到256細(xì)分來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，當(dāng)輸入一個(gè)脈沖，對(duì)于TMC5160來(lái)說(shuō)就已經(jīng)輸入了2到256個(gè)脈沖，再對(duì)應(yīng)相同的細(xì)分?jǐn)?shù)，這樣就完成了細(xì)分內(nèi)插。局限在于，STEP信號(hào)必須比較穩(wěn)定，否則會(huì)影響microPlyer對(duì)于脈沖間隔時(shí)間的測(cè)量。
7、ABN編碼器接口：TMC5160可以外接增量式編碼器，編碼器不僅用于失步的判斷，還可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器的歸零功能(替代參考開(kāi)關(guān))。可編程預(yù)分頻器設(shè)置編碼器分辨率以適應(yīng)電機(jī)分辨率。TMC5160內(nèi)部包含一個(gè)32位編碼器計(jì)數(shù)器。
四、TMC5160的SPI接口
TMC5160的數(shù)據(jù)幀為固定的40位，在整個(gè)數(shù)據(jù)幀期間，SPI的片選都要保持有效（低電平）。數(shù)據(jù)幀由一個(gè)字節(jié)的地址和4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)組成。讀操作，地址字節(jié)的最高位是0。寫(xiě)操作，地址字節(jié)的最高位是1。
不管是讀操作還是寫(xiě)操作，在向TMC5160傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)，TMC5160會(huì)通過(guò)MISO傳輸狀態(tài)寄存器SPI_STATUS的值+上次操作的數(shù)據(jù)。比如，向CHOPCONF寄存器（地址0x6C）寫(xiě)入0x000100C3數(shù)據(jù)，再向IHOLD_IRUN寄存器（地址0x10）寫(xiě)入0x00061F02數(shù)據(jù)，再向TPOWER_DOWN寄存器（地址0x11）寫(xiě)入0x0000000A數(shù)據(jù)，SPI的MOSI和MISO上的數(shù)據(jù)如下圖：

可以看到在向0x6C寫(xiě)入0x000100C3數(shù)據(jù)的同時(shí)，MISO上會(huì)收到0x72和0x000003E8，這個(gè)0x72就是傳輸狀態(tài)寄存器SPI_STATUS的值，0x000003E8則是上次操作的數(shù)據(jù)內(nèi)容。接下來(lái)向0x10寫(xiě)入0x00061F02數(shù)據(jù)，同時(shí)接收到0x39和0x0x000003E8，0x39是傳輸狀態(tài)寄存器SPI_STATUS的值，0x000100C3則是上次操作的數(shù)據(jù)內(nèi)容。上次操作是往0x6C寫(xiě)入0x000100C3數(shù)據(jù)，所以此時(shí)返回的數(shù)據(jù)就是0x000100C3。
傳輸狀態(tài)寄存器SPI_STATUS的內(nèi)容為：

所以，利用TMC5160的通信特性?？梢詫?shí)時(shí)得到SPI_STATUS的值，從而得知TMC5160的狀態(tài)。也可以利用其返回機(jī)制，判斷SPI傳輸是否被干擾，數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)。
同樣的讀操作過(guò)程也是如此，需要發(fā)送兩個(gè)40位的數(shù)據(jù)幀才能讀到寄存器的值。比如讀XACTUAL寄存器（地址0x21），發(fā)送0x21+0x00000000的同時(shí)會(huì)收到SPI_STATUS+32位前次操作值，再次發(fā)送0x21+0x00000000，此時(shí)才會(huì)收到SPI_STATUS+XACTUAL寄存器的值。過(guò)程如下：

1、上圖顯示了TMC5160中4個(gè)電流參數(shù)的關(guān)系：I_RUN、I_HOLD、TPOWERDOWN（上圖中的TZEROWAIT）、IHOLDDELAY。I_RUN是電機(jī)運(yùn)行電流，I_HOLD是靜止電流，TPOWERDOWN是電機(jī)停止到電流開(kāi)始降低的延遲時(shí)間，IHOLDDELAY是電流從I_RUN降到I_HOLD的時(shí)間。
2、顯示了3個(gè)速度閾值與其對(duì)應(yīng)的斬波模式。
當(dāng)速度低于VPWMTHRS，使用stealthChop進(jìn)行電壓PWM控制。
當(dāng)速度處于VPWMTHRS和VHIGH之間，使用spreadCycle進(jìn)行恒流斬波控制。
當(dāng)速度大于VHIGH，使用恒定關(guān)斷時(shí)間的斬波模式。
只有當(dāng)速度處于VCOOLTHRS和VHIGH之間，stallGuard2和coolStep才能使用。
六、stealthChop介紹
1、參數(shù)自整定
stealthChop不需要更多的配置，其參數(shù)可以自整定。用戶可以配置參數(shù)自整定的相關(guān)設(shè)置，或?qū)⒋鎯?chǔ)的參數(shù)作為參數(shù)自整定階段的初始值。自整定分為兩個(gè)步驟：
步驟1：自整定PWM_OFS參數(shù)。讓電機(jī)以運(yùn)行電流值大小靜止一段時(shí)間。（一定要保證電機(jī)電流等于運(yùn)行電流值，因此如果使能了電機(jī)靜止時(shí)候電流降低功能，需要先給步進(jìn)脈沖將驅(qū)動(dòng)器切換回運(yùn)行電流，或者將IHOLD 設(shè)置成IRUN 。）
步驟2：自整定PWM_GRAD參數(shù)。讓電機(jī)以一定的速度運(yùn)行電機(jī)，讓電機(jī)電流可以達(dá)到設(shè)定的運(yùn)行電流。（典型速度范圍為60-300 轉(zhuǎn)/分）
參數(shù)是否自整定成功的依據(jù)是：在步驟2中讀PWM_SCALE_AUTO值，看其是否下降到接近0，如果下降到接近0，表示成功。
步驟1是否完成是判斷不了的，但是如果步驟1尚未完成就進(jìn)行步驟2是不行的。
自整定的參數(shù)有兩個(gè)：PWM_OFS 和PWM_GRAD，當(dāng)電機(jī)類型改變，參數(shù)需要重新整定。修改GLOBALSCALER或VS電壓會(huì)使參數(shù)自調(diào)整過(guò)程的結(jié)果無(wú)效。參數(shù)自整定好后可以從寄存器PWM_OFS_AUTO 和PWM_GRAD_AUTO中讀出來(lái)保存到程序中，以后直接賦值給TMC5160即可，不需要再次整定了。
2、PWM斬波頻率
通過(guò)下表配置，如果使用TMC5160內(nèi)部時(shí)鐘，則頻率為12MHz。下表中綠色越深，代表越推薦。

七、spreadCycle
相對(duì)于stealthChop 的電壓PWM 斬波控制，spreadCycle 是周期電流控制模式（類似于DRV8711）。因此，可以對(duì)電機(jī)速度或電機(jī)負(fù)載的變化作出極快的反應(yīng)。有兩種周期斬波模式可用: 一種稱為spreadCycle的斬波算法和一種恒定關(guān)斷時(shí)間斬波模式。恒定關(guān)斷時(shí)間模式循環(huán)有三個(gè)階段:導(dǎo)通、快衰減和慢衰減。spreadCycle 模式循環(huán)有四個(gè)階段:導(dǎo)通、慢衰減、快衰減和第二慢衰減。
1、spreadCycle的周期和參數(shù)計(jì)算

如上圖，處于on階段，MOS管打開(kāi)線圈電流開(kāi)始上升，當(dāng)電流大target+HSTRT，MOS管關(guān)斷進(jìn)入慢衰減階段，慢衰減持續(xù)TOFF設(shè)置的時(shí)間后，進(jìn)入快衰減階段，當(dāng)電流下降到target-HSTRT時(shí)，進(jìn)入第二慢衰減階段，第二慢衰減階段又持續(xù)TOFF設(shè)置的時(shí)間后，完成一個(gè)斬波周期。
進(jìn)入on階段和快衰減階段首先會(huì)有TBL的消隱時(shí)間，在這段時(shí)間電流比較器不工作，之后電流比較器才開(kāi)始工作，而on階段和快衰減階段又是依靠電流比較退出的，因此on階段和快衰減階段的時(shí)間一定會(huì)大于TBL。
要把斬波頻率控制在16 kHz 到30 kHz。其中on階段的時(shí)間由target、HSTRT、HEND決定，由HSTRT、HEND控制的滯環(huán)寬度會(huì)影響on階段的時(shí)間。兩個(gè)慢衰減時(shí)間由TOFF決定。
慢衰減階段通常占靜止斬波周期的約30%-70%，并且對(duì)于降低電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器功耗是重要的。
2、磁滯參數(shù)HSTRT和HEND設(shè)置
為找到最佳設(shè)置，通常從一個(gè)低的磁滯設(shè)置(例如HSTRT=0，HEND=0 )開(kāi)始，逐漸增加HSTRT，直到電機(jī)在低速設(shè)置下平穩(wěn)運(yùn)行?？赏ㄟ^(guò)測(cè)量電流探頭或采樣電阻上電壓測(cè)量電機(jī)電流時(shí)來(lái)更好的檢查這一點(diǎn)。如果磁滯設(shè)置太小，正弦波的兩個(gè)半波零點(diǎn)附近的之間有小的畸變。在中速(即每秒100至400步)時(shí)，滯環(huán)設(shè)置過(guò)小將導(dǎo)致電機(jī)嗡嗡聲和振動(dòng)增加。過(guò)高的滯環(huán)設(shè)置將導(dǎo)致斬波頻率降低和斬波噪聲增加，同時(shí)不會(huì)對(duì)波形產(chǎn)生任何益處。
較高電流的電機(jī)通常也具有較低的線圈電阻，因此為磁滯選擇低到中的默認(rèn)值(例如，有效滯環(huán)= 4 )通常適合大多數(shù)應(yīng)用。設(shè)置過(guò)低將導(dǎo)致微步精度降低，而設(shè)置過(guò)高將導(dǎo)致更多斬波噪聲和電機(jī)功耗。當(dāng)用示波器測(cè)量線圈在中等電流下電機(jī)靜止時(shí)的采樣電阻電壓時(shí)，過(guò)低的設(shè)置會(huì)顯示快衰減階段小于消隱時(shí)間。調(diào)整磁環(huán)讓快衰減時(shí)間比消隱時(shí)間稍長(zhǎng)是最佳設(shè)置。如果難以達(dá)到要求，則可以減少TOFF設(shè)置。
3、經(jīng)典恒定關(guān)斷時(shí)間斬波器
經(jīng)典的恒定關(guān)斷時(shí)間斬波器是spreadCycle的替代方案。在參數(shù)調(diào)節(jié)后，同樣也有良好的性能。在dcStep的全步操作中，系統(tǒng)會(huì)與經(jīng)典恒定關(guān)斷時(shí)間斬波器(自動(dòng))結(jié)合工作。經(jīng)典的恒定關(guān)斷時(shí)間斬波器在每個(gè)導(dǎo)通階段之后采用固定時(shí)間的快速衰減。
八、選擇采樣電阻
采樣電阻阻值決定了上限電流，由寄存器IRUN、IHOLD 和GLOBALSCALER 設(shè)置所需的具體電流值，公式為：上限電流*(GLOBALSCALER/256)*(IRUN/31)。當(dāng)GLOBALSCALER = 0時(shí)，GLOBALSCALER 實(shí)際取值256。因此當(dāng) GLOBALSCALER = 0，IRUN = 31時(shí)，電流值為最大。RMS 電流的計(jì)算公式:
VFS ：滿量程電壓 (請(qǐng)參考電氣參數(shù)VSRT)。
具體選擇可以參考下表：

九、stallGuard2
與stallGuard2相關(guān)的只有3個(gè)配置參數(shù)：SGT、sfilt、SG_RESULT。
SGT：控制堵轉(zhuǎn)檢測(cè)的靈敏度。值越低，靈敏度越高。
sfilt：測(cè)量濾波模式使能控制。如果設(shè)置，測(cè)量頻率會(huì)降低到每個(gè)電機(jī)電氣周期測(cè)量一次( 4 個(gè)全步)。測(cè)量頻率的降低會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度下降（靈敏度降低4倍），但是同時(shí)能提高堵轉(zhuǎn)判斷的準(zhǔn)確度。
SG_RESULT：stallGuard2的測(cè)量結(jié)果。讀數(shù)越高表示機(jī)械負(fù)載越小。
SG_RESULT和電機(jī)負(fù)載的關(guān)系如下：
在啟動(dòng)stallGuard2 和coolStep 之前，先通過(guò)SGT 設(shè)置調(diào)節(jié)stallGuard2 的敏感度。
1、調(diào)整 stallGuard2 閾值 SGT的步驟
步驟1：以適當(dāng)?shù)乃俣冗\(yùn)行電機(jī)，并監(jiān)控SG_RESULT。
步驟2：緩慢增加電機(jī)的機(jī)械負(fù)載。如果電機(jī)在SG_RESULT 達(dá)到零之前停止，說(shuō)明靈敏度太低了，要減小SGT。如果SG_RESULT在電機(jī)停止之前達(dá)到零，則增大SGT。SGT 是有符號(hào)的，可正可負(fù)。
SGT調(diào)整好的判斷依據(jù)：在電機(jī)處于再增加一點(diǎn)負(fù)載就會(huì)堵轉(zhuǎn)的狀態(tài)時(shí)，SG_RESULT的值處于0到100之間，并且這時(shí)把負(fù)載去掉SG_RESULT會(huì)增加100或更多。
SGT可根據(jù)電機(jī)速度或使用環(huán)境設(shè)置多個(gè)值，以達(dá)到最可靠的堵轉(zhuǎn)檢測(cè)效果。
2、用stallGuard實(shí)現(xiàn)歸零
讓電機(jī)反轉(zhuǎn)到歸零點(diǎn)卡死，通過(guò)stallGuard檢測(cè)到電機(jī)堵轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)歸零。由于stallGuard需要一定的速度才能工作(速度閾值由TCOOLTHRS設(shè)定)，請(qǐng)確保起始點(diǎn)離零點(diǎn)足夠遠(yuǎn)，以提供加速階段所需的距離。設(shè)置SGT的值和斜坡發(fā)生器寄存器后，TMC5160開(kāi)始控制電機(jī)往零點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)，如果同時(shí)打開(kāi)了堵轉(zhuǎn)停止功能(SW_MODE 中設(shè)置sg_stop)，一旦檢測(cè)到堵轉(zhuǎn)，斜坡發(fā)生器會(huì)停止運(yùn)動(dòng)并設(shè)定VACTUAL為零，從而停止電機(jī)，電機(jī)此時(shí)的位置即為零點(diǎn)。
2、stallGuard2 操作局限性
stallguard2在極端電機(jī)速度下運(yùn)行不可靠: 1）、非常低的電機(jī)速度(對(duì)于許多電機(jī)，每秒不到一圈)會(huì)產(chǎn)生低反電動(dòng)勢(shì)，使測(cè)量不穩(wěn)定，同時(shí)還要考慮環(huán)境條件(溫度等)。2）、非常高的電機(jī)速度，因電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)達(dá)到電源電壓電機(jī)線圈無(wú)法輸出正弦電流驅(qū)動(dòng)，也導(dǎo)致較差的響應(yīng)。
十、coolStep
coolStep能在保證電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下自動(dòng)降低電機(jī)電流。與之相關(guān)的參數(shù)有兩個(gè)：
SEMIN：閾值下限。4 位無(wú)符號(hào)整數(shù)。如果SG_RESULT低于此閾值，coolStep 會(huì)增加兩個(gè)線圈的電流。

上圖顯示了coolStep 的工作過(guò)程：黑線代表SG_RESULT測(cè)量值。藍(lán)線表示電機(jī)上的機(jī)械負(fù)載。紅線表示電機(jī)線圈的電流。
當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，SG_RESULT 下降到SEMIN以下，coolStep 增加電流。當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，SG_RESULT 上升到(SEMIN + SEMAX + 1 ) * 32以上，電流減小。
此外還有幾個(gè)參數(shù)：
SEUP：電流增加步長(zhǎng)。當(dāng)SG_RESULT低于SEMIN，電流增加SEUP。
SEDN：電流減少步長(zhǎng)。當(dāng)SG_RESULT高于(SEMIN + SEMAX + 1 )，電流減少SEDN。
SEIMIN：電流下限。無(wú)論coolStep如果減少電流，電流不能低于本值。
1、響應(yīng)時(shí)間
為了快速響應(yīng)增加的電機(jī)負(fù)載，可以使用大的電流增量步長(zhǎng)SEUP。如果電機(jī)負(fù)載變化緩慢，可以使用較低的電流增量步長(zhǎng)來(lái)避免電機(jī)振蕩。如果使能sfilt 控制的濾波器，測(cè)量速率和調(diào)節(jié)速度將降低4 倍。
十一、STEP/DIR接口
STEP和DIR輸入接口提供了與許多現(xiàn)有運(yùn)動(dòng)控制器兼容的簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)接口。步進(jìn)脈沖內(nèi)插器（microPlyer）將提供高分辨率細(xì)分控制，讓一些最開(kāi)始用粗細(xì)分設(shè)計(jì)應(yīng)用中的電機(jī)運(yùn)行更平滑。如果使用外部步進(jìn)信號(hào)輸入 ，則可以關(guān)閉芯片內(nèi)部集成的運(yùn)動(dòng)控制器。在這種情況下，唯一保持活動(dòng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)控制器寄存器是寄存器IHOLD _ IRUN。
1、時(shí)序
當(dāng)CHOPCONF寄存器中的dedge模式位被設(shè)置時(shí)，STEP的雙邊沿都有效 。如果dedge 模式位清零，則只有上升沿有效。STEP 和DIR 引腳與系統(tǒng)時(shí)鐘同步。內(nèi)部模擬濾波器消除信號(hào)上的毛刺，例如由PCB 過(guò)長(zhǎng)引起的毛刺。如果信號(hào)源遠(yuǎn)離芯片，特別是如果信號(hào)通過(guò)電纜傳輸，信號(hào)應(yīng)該被濾波處理或差分傳輸。
2、改變分辨率
TMC5160內(nèi)部有一個(gè)1024個(gè)正弦波條目的微步表，用于產(chǎn)生電機(jī)線圈的正弦電流。這1024 個(gè)條目對(duì)應(yīng)于一個(gè)電周期或四個(gè)全步。微步分辨率設(shè)置決定了查表的步長(zhǎng)。DIR極性決定查表的方向是增加( DIR = 0 )還是減少( DIR = 1 )。微步分辨率分別決定增量和減量。在最大分辨率（256細(xì)分）下，定序器每個(gè)STEP脈沖前進(jìn)一步。128細(xì)分，定序器前進(jìn)兩步。如果是整步則定序器前進(jìn)256步。
定序器具有特殊的配置，允許在任何時(shí)候可以在不同的細(xì)分設(shè)置之間無(wú)縫切換。當(dāng)切換到較低的細(xì)分分辨率時(shí)，它會(huì)計(jì)算目標(biāo)。
分辨率內(nèi)最近的步長(zhǎng)，并讀取該位置的當(dāng)前向量。這種行為對(duì)于像全步和半步這樣的低分辨率尤其重要，因?yàn)楫?dāng)比較電機(jī)順時(shí)針和逆時(shí)針運(yùn)行時(shí)，步進(jìn)序列中的任何故障都會(huì)導(dǎo)致不對(duì)稱運(yùn)行。

審核編輯黃宇