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。

: \3 ~3 g. e  d4 k, v

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

( }" I( n- J- R' ^

初始化程序如下参考：
9 g  j3 w, T- N  q" m/ k//        TMC5130 SET       
        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
/ A; L8 J) L- ~2 i( n2 R# U        sendData(0x90,0x0006160A);                                
//PAGE33:IHOLD_IRUN: IHOLD=10, IRUN=22(31 max.current), IHOLDDELAY=6
        sendData(0x91,0x0000000A);                               
- _. I' D5 L8 v! t" c$ Z//PAGE33:TPOWERDOWN=10:电机静止到电流减小之间的延时
( b7 ^( M; z3 w8 p        sendData(0x80,0x00000004);                               
//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
        sendData(0x93,0x000001F4);                               
//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
* L' B3 J1 W2 r' {        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
5 F* G7 Y' V: t3 E9 h//PAGE43WMCONF       
///////////////////////////////////////////////////////////
) ~" Q6 F0 _$ P4 ^' u          sendData(0xA4,1000);                                            
/ O' B9 b; w8 z* E//A1=1000第一阶段加速度
        sendData(0xA5,50000);                                    
+ n; d' Z8 E3 u' o) A//V1=50000加速度阀值速度V  
- q' M  S' w$ H0 x3 B. M+ Z        sendData(0xA6,5000);                                            
* y! l9 H( b* c5 M1 c//AMAX=5000大于V1的加速度   
- n* L' P. d& ]  z3 M2 I4 O        sendData(0xA7,200000);                                    
& F, F' c6 v$ M, }$ \//VMAX=200000
, R- u/ W4 k9 T& S        sendData(0xA8,700);                                                               
//DMAX=700大于V1的减速度
        sendData(0xAA,1400);                                            
//D1=1400小于V1的减速度
# H4 C+ k# I5 a2 p; _: Y* z        sendData(0xAB,10);                                                    
//VSTOP=10停止速度，接近于0
: j9 p- Y! b, _  h        sendData(0xA0,0x00000000);                                
//PAGE35:RAMPMODE=0位置模式，使用所有A、V、D参数       
4 K; T! _! O# I* n  S9 n

初始化程序如下参考：
# z, z2 U+ p$ q$ F//TMC5130 SET       
        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
1 P& F  ]1 S% x  a8 T//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
        sendData(0x90,0x00011601);                                
! j, @' g$ ^: i" I2 E$ M8 F//PAGE33:IHOLD_IRUN: IHOLD=10, IRUN=22(31 max.current), IHOLDDELAY=1
        sendData(0x91,0x0000000A);                               
//PAGE33:TPOWERDOWN=10:电机静止到电流减小之间的延时
        sendData(0x80,0x00000004);                               
. O0 Y7 H& }6 h7 N! P: L1 v//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
        sendData(0x93,0x000001F4);                               
& q5 M% @) K! p  ]4 ]//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
1 l# j& ?3 S% T, I( B        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
//PAGE43WMCONF         
          sendData(0xA4,1000);                                            
9 F! S" y/ s# w) I0 v* Q//A1=1000第一阶段加速度
        sendData(0xA5,50000);                                    
//V1=50000加速度阀值速度V1
5 @) y; U) ^$ i# \( ^        sendData(0xA6,5000);                                            
//AMAX=5000大于V1的加速度        
        sendData(0xA7,200000);                                    
//VMAX=200000
        sendData(0xA8,700);                                                               
/ v9 v, O+ m/ O- y# J; v//DMAX=700大于V1的减速度
        sendData(0xAA,1400);                                            
//D1=1400小于V1的减速度
  n9 x# V, z4 P: v3 Y$ j7 `1 S; @4 F" ?        sendData(0xAB,10);                                                    
//VSTOP=10停止速度，接近于0

二、硬件设计

硬件设计接口上：支持SPI或UART或脉冲+方向控制

  t) k* [. X- o- T6 {% `' m6 }

原理图如下图所示：

( @+ _$ ~( Y9 N( p; x9 j" j

主芯片部分：

1 e# K5 S9 R" T7 R# t1 j* `' G

补充说明：
+ N  Z( T2 w  N2 p9 X1 RSPI_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
, M1 M* k$ q- N$ [- JVCC、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；
8 Y; p, a& W; W2 h# B* o! x2 t

电源及接电机接口部分如下图：

% G0 C& G# j  R: ~1 f

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）；
8 @! j, o2 w! S3 j5 U3 Y6 z# h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

PCB图参考如下（最好是4层板）：

1 }+ g: S. `$ `7 G& x

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；
; l$ L7 [3 B/ ~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
  s/ I) k* x3 X2 u1、SPI接口速度模式
芯片引脚跳线连接：
$ d. Y3 I" h' O/ FSPI_MODE：接高电平（VCC_IO）
SD_MODE： 接低电平（GND）
J7：短接
CSNB6
# ^. r+ o# J7 i8 o% cSCKA5
) a" R/ Z- k3 U9 z7 _0 D1 l# h0 fSDI：MOSI-PA7
SDO：MISO-PA6
) y/ v* k' a; W1 i4 ^8 M$ S( L

2、SPI接口位置控制模式
' H' w7 H5 [# ^% e! ^- Z8 w7 x5 G' u2 ~芯片引脚跳线连接：
SPI_MODE：接高电平（VCC_IO）
# \9 f# _7 z) u' g" @' `; nSD_MODE： 接低电平（GND）
, i" g5 G8 h* C/ Y4 d5 BJ7：短接
1 V( ]" @; W" H3 z2 V; RCSNB6
( Y9 N* q0 a6 iSCKA5
4 H% o9 e% C4 U9 T$ V2 x& ySDI：MOSI-PA7
SDO：MISO-PA6

3、DIR+STEP接口模式位置控制（无需SPI接口）
$ n2 \$ c5 E' j  a+ _/ @8 i5 l芯片引脚跳线连接：
1 `5 e- P0 s9 o2 q6 h7 F. tSPI_MODE：接低电平（GND）
  T9 D" E: D# @: r# \# t1 nSD_MODE：接高电平（VCC_IO）
* c5 k4 x! ?# `. d. ASTEP:REFL-PB4，J2：短接
DIR: REFR-PB5，J5：短接
CFG6RV_ENN-PC5，通过杜邦线接到底板PC5脚
CFG5: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
1 o6 B+ N+ O( S/ CCFG3:CSN-PB6 ，J7：短接
& j6 B" g8 B- Y, CCFG2: SCK-PA5
CFG1: MOSI-PA7
CFG0: MISO-PA6
6 c: H+ d$ k4 H/ @) D- S/ K

初始化程序如下参考：
: t- i9 C1 U* N$ g% q2 X- [. b        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
3 n8 r- A) A$ X3 B: n: \        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
        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
        HAL_GPIO_WritePin(CFG6_GPIO_Port,CFG6_Pin, GPIO_PIN_RESET);
3 F7 s  V1 W- }  |* X# e( ]//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