基于Stm32F0+TMC5130 Arduino接口42/57步进电机驱动参考原理图/PCB图/教程/源码等开源分享

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公众号：游名开源

一、概述

TMC5130芯片是一款集成式步进电机驱动器和运动控制器（定位控制）解决方案，适用于医疗、3D打印机、云台或其它自动化设备对性能有较高的场合应用和静音控制。该芯片具有集成的SixPoint斜坡控制器，微步进分度器，无传感器失速检测技术StallGuard2和完全无噪声的电流控制模式StealthChop，旨在驱动双极步进电机。输出驱动器模块由低RDSon N沟道功率MOSFET组成，配置为全H桥，以驱动电机绕组。 TMC5130能够从每个输出驱动高达2.5A的电流（具有适当的散热）。TMC5130的供电电压为5-46V。 该器件提供SPI接口，用于配置和诊断以及步进和方向接口。

7 k. {( o& Z) N, ]& L/ A

参数及特点：

2A电流（2.5A峰值），电压范围4.75-46VDC，9x9mm2 TQFP48封装

具有sixPoint斜坡的运动控制器

SPI和单线UART和Step / Dir接口，编码器接口和2x参考开关输入

每个完整步骤的最高分辨率256微步

stealthChop用于极其安静的操作和平稳的运动

spreadCycle高动态电机控制斩波器

dcStep负载相关的速度控制

stallGuard2高精度无传感器电机负载检测

coolStep电流控制，节能高达75％

集成电流检测选项，被动制动和续流模式，全面保护和诊断

8 s, v2 I9 B7 h9 q2 j! k( H

初始化程序如下参考：
5 B* B6 @9 Q6 J" i0 K% s; H//        TMC5130 SET       
' u" [' X) u. J- x2 V# N        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
        sendData(0x90,0x0006160A);                                
//PAGE33:IHOLD_IRUN: IHOLD=10, IRUN=22(31 max.current), IHOLDDELAY=6
# e% h  j; ~! K" Z6 A        sendData(0x91,0x0000000A);                               
; _  f5 O; `" P3 W5 j+ v//PAGE33:TPOWERDOWN=10:电机静止到电流减小之间的延时
7 [* ^) U; N1 y# o( |! G$ N" U        sendData(0x80,0x00000004);                               
% j" u0 a( d' P//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
  ]8 F! U9 J: |1 ^; Q# }        sendData(0x93,0x000001F4);                               
$ V/ J# |! Y& f+ X# W$ g( x: b//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
/ ^2 k$ S. D2 S5 `' Q. @//PAGE43WMCONF       
///////////////////////////////////////////////////////////
' Z  k# Q( L' b# u" C( F          sendData(0xA4,1000);                                            
/ q, A: W9 S6 q. M& G3 X: j+ r" \1 T//A1=1000第一阶段加速度
        sendData(0xA5,50000);                                    
//V1=50000加速度阀值速度V  
, u4 y- E2 p6 I1 T* c        sendData(0xA6,5000);                                            
//AMAX=5000大于V1的加速度   
4 a. `- T) B/ X5 C        sendData(0xA7,200000);                                    
//VMAX=200000
" }$ W1 N* r# Z        sendData(0xA8,700);                                                               
//DMAX=700大于V1的减速度
        sendData(0xAA,1400);                                            
//D1=1400小于V1的减速度
) c, k5 E5 y/ \8 C1 k' ~4 A0 C/ m        sendData(0xAB,10);                                                    
//VSTOP=10停止速度，接近于0
        sendData(0xA0,0x00000000);                                
//PAGE35:RAMPMODE=0位置模式，使用所有A、V、D参数       
9 J6 o6 ?9 o; s3 D

初始化程序如下参考：
+ Z" z8 c% B- `% h1 H//TMC5130 SET       
$ v3 C1 @8 ]5 H% ?        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
        sendData(0x90,0x00011601);                                
6 I5 ?# H" J3 P3 d" n4 n& O//PAGE33:IHOLD_IRUN: IHOLD=10, IRUN=22(31 max.current), IHOLDDELAY=1
        sendData(0x91,0x0000000A);                               
/ J9 M4 ?- Z' T' D//PAGE33:TPOWERDOWN=10:电机静止到电流减小之间的延时
        sendData(0x80,0x00000004);                               
) z  V: y* }9 Q$ Z. n' U5 n! a2 s2 ^/ q//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
/ G, L  y; Z5 P! e, A$ q% m        sendData(0x93,0x000001F4);                               
9 w2 z; f  b, [3 H2 H5 m/ {* K//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
0 A/ e0 M( g. @0 f1 F: `3 y! W6 _        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
//PAGE43WMCONF         
          sendData(0xA4,1000);                                            
; C: N' H* J2 g8 w//A1=1000第一阶段加速度
        sendData(0xA5,50000);                                    
1 ~$ J, t+ C- ]% k# g8 g8 A1 ?//V1=50000加速度阀值速度V1
        sendData(0xA6,5000);                                            
//AMAX=5000大于V1的加速度        
        sendData(0xA7,200000);                                    
//VMAX=200000
. U2 a9 ?1 Z( Y) f        sendData(0xA8,700);                                                               
//DMAX=700大于V1的减速度
        sendData(0xAA,1400);                                            
; n! f- D" i3 L4 F//D1=1400小于V1的减速度
        sendData(0xAB,10);                                                    
//VSTOP=10停止速度，接近于0

初始化程序如下参考：
1 H- J; @' V" z2 ~        HAL_GPIO_WritePin(CFG0_GPIO_Port,CFG0_Pin, GPIO_PIN_SET);                        //PAGE:110 CFG0设置为高，TOOF：236Tclk
        SubdivisionSet(16);                //PAGE:111 细分设置为16
% L$ J* ?1 X8 X: o  Q0 ^  s        ISet();                                        //电流设置AGE:111
        HAL_GPIO_WritePin(CFG4_GPIO_Port,CFG4_Pin, GPIO_PIN_SET);                        //PAGE:111 CFG4设置为高，chopper hysteresis斩波器滞后 设置为9
( t# g% @" r$ U; s/ s( s  @        HAL_GPIO_WritePin(CFG5_GPIO_Port,CFG5_Pin, GPIO_PIN_SET);               
//PAGE:111 CFG5设置为低，chopper blank time斩波器切换期间间隔时间设置为24
/ O6 L' y) N* _0 `        HAL_GPIO_WritePin(CFG6_GPIO_Port,CFG6_Pin, GPIO_PIN_RESET);
//PAGE:112 CFG6设置为低电机驱动使能，为高关闭
        HAL_GPIO_WritePin(STEP_GPIO_Port,STEP_Pin, GPIO_PIN_SET);                        //STEP设置为高
9 [0 [9 H: q' ?" ?$ \) \4 A4 ^  g

  }% h7 N- L( ^

二、硬件设计

硬件设计接口上：支持SPI或UART或脉冲+方向控制

; c( O7 y0 A# S2 j! H, h- O

原理图如下图所示：

: r" g( t+ B! ~

: Y1 f& R' ]1 Q# C2 ]

主芯片部分：

- z( E" i8 b2 o8 V" O" Z" W5 y- A

补充说明：
+ u8 ]& B( n+ T6 G  h4 oSPI_MODE、SD_MODE:对应的J10、J11通过跳线帽选择高、低电平选择不同模式
* k, t! i# Y% K% k3 m0 EVCC、VCC_IO电源：使用芯片内部5V输出电源，如果有外部5V电源可选择外部的，可降低芯片的发热和功耗；

电源及接电机接口部分如下图：

补充说明：
母线电容CE1选择：一般是1A对应100uF左右（有条件的尽可能大）；
5 _" Q% c# X( J$ |, J; m电源保护：有条件的最好加防反接、TVS保护、以及保险丝等

电机接口：如果对EMC要求较高的，最好加些滤波和保护，参考电路如下图

0 p' n7 V6 n8 S: a" n; d$ i

PCB图参考如下（最好是4层板）：

$ E% Y* I" M8 D6 C

补充说明：
芯片底部最好不要走其它线，保证地平面完整及散热；
- M5 N. |8 W9 i/ d+ V0 L; Y" W电流取样电阻：5130不需要，5160外部MOS，要差分采样（开尔文接法）；

三、软件说明
1、SPI接口速度模式
芯片引脚跳线连接：
SPI_MODE：接高电平（VCC_IO）
SD_MODE： 接低电平（GND）
J7：短接
CSNB6
SCKA5
SDI：MOSI-PA7
SDO：MISO-PA6
  T/ ~1 P1 }* @; n, T$ @6 F& V# E

2、SPI接口位置控制模式
芯片引脚跳线连接：
SPI_MODE：接高电平（VCC_IO）
SD_MODE： 接低电平（GND）
' y$ a# W( m; [" j& R. H' IJ7：短接
& r4 z: ^/ S8 b1 D: M3 o2 ~% vCSNB6
! p- f9 Y' |8 _6 t; w" pSCKA5
SDI：MOSI-PA7
SDO：MISO-PA6

3、DIR+STEP接口模式位置控制（无需SPI接口）
( u& n/ X! `8 z8 }芯片引脚跳线连接：
7 Y4 ?6 x1 z; c4 H% p- A/ r3 V. LSPI_MODE：接低电平（GND）
SD_MODE：接高电平（VCC_IO）
; G$ ?! Z+ w' t* Z0 @# y7 O, n4 v+ Z7 sSTEP:REFL-PB4，J2：短接
) r9 p2 a9 Z0 F: Y' r$ HDIR: REFR-PB5，J5：短接
CFG6RV_ENN-PC5，通过杜邦线接到底板PC5脚
. I, \8 h( L; ?/ L! ICFG5:ENCA-PC8，通过杜邦线接到底板PC8脚
CFG4:ENCB-PC6，通过杜邦线接到底板PC6脚
CFG3:CSN-PB6 ，J7：短接
+ F0 K+ `$ e1 N3 k$ _/ \CFG2: SCK-PA5
CFG1: MOSI-PA7
CFG0: MISO-PA6