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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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。

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

初始化程序如下参考：
9 I# V2 v, o( q( c+ B1 C" t//        TMC5130 SET       
# ^5 I1 C7 Z( L+ [! e        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
        sendData(0x90,0x0006160A);                                
0 Y( m" q( d' R$ q2 h//PAGE33:IHOLD_IRUN: IHOLD=10, IRUN=22(31 max.current), IHOLDDELAY=6
9 A7 b9 u0 J2 G# N        sendData(0x91,0x0000000A);                               
/ _. D. m  H9 \0 I$ v3 t//PAGE33:TPOWERDOWN=10:电机静止到电流减小之间的延时
        sendData(0x80,0x00000004);                               
1 O& `& H+ d" C5 n//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
9 X3 [' N+ ?/ c7 A4 f        sendData(0x93,0x000001F4);                               
//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
6 M0 L( A) m2 \4 V2 J! @//PAGE43WMCONF       
5 ?" n* @: ~; w3 v+ \# Z8 y+ i///////////////////////////////////////////////////////////
          sendData(0xA4,1000);                                            
5 \! A4 b1 J( m# W: ?$ x( M//A1=1000第一阶段加速度
) p7 k5 r7 K+ E5 `        sendData(0xA5,50000);                                    
6 t. L' |( c" U) P2 ~4 e$ T//V1=50000加速度阀值速度V  
        sendData(0xA6,5000);                                            
) u1 Z) J7 ^4 N, ^) ]//AMAX=5000大于V1的加速度   
        sendData(0xA7,200000);                                    
: H* ^0 e" F% z. Y9 B: t4 S! b//VMAX=200000
        sendData(0xA8,700);                                                               
//DMAX=700大于V1的减速度
/ k) M9 J; d2 z; ^        sendData(0xAA,1400);                                            
" B& ^0 p, N7 O1 `//D1=1400小于V1的减速度
- m) e! v, U8 m4 V1 h; n: i        sendData(0xAB,10);                                                    
# e. I. z3 |; e+ v6 Z/ s8 V//VSTOP=10停止速度，接近于0
/ l8 l' F- i$ ]5 e8 K; S/ b& G        sendData(0xA0,0x00000000);                                
2 i9 L$ D4 Z1 Z//PAGE35:RAMPMODE=0位置模式，使用所有A、V、D参数       
( V2 {1 o* I0 I1 Q  n

初始化程序如下参考：
1 S: v: F" g, W5 j3 z  D" I7 N+ t//TMC5130 SET       
. W6 ^% @( B0 L& F% d        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
7 g7 `% N  N5 r: |//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
        sendData(0x90,0x00011601);                                
2 A  P& o" v, n, c* [3 X# h8 U//PAGE33:IHOLD_IRUN: IHOLD=10, IRUN=22(31 max.current), IHOLDDELAY=1
3 P! e4 s6 s4 R0 l6 ?+ F! X( ?) \        sendData(0x91,0x0000000A);                               
# r. B9 @5 N8 R2 v9 }% ]( P  n//PAGE33:TPOWERDOWN=10:电机静止到电流减小之间的延时
; z4 l' }7 ?% P& g        sendData(0x80,0x00000004);                               
//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
        sendData(0x93,0x000001F4);                               
* k! L3 W- ^$ b$ ^! p//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
//PAGE43WMCONF         
4 e2 F8 g7 y0 q2 s1 [          sendData(0xA4,1000);                                            
; F: E% Y5 z* A$ K# R" i//A1=1000第一阶段加速度
        sendData(0xA5,50000);                                    
+ A  J! x+ t) i$ g. W//V1=50000加速度阀值速度V1
8 O. p% F2 x0 K% J7 r1 t        sendData(0xA6,5000);                                            
5 Q2 f9 {; }) z//AMAX=5000大于V1的加速度        
        sendData(0xA7,200000);                                    
//VMAX=200000
        sendData(0xA8,700);                                                               
//DMAX=700大于V1的减速度
        sendData(0xAA,1400);                                            
6 W. J6 T$ G' n//D1=1400小于V1的减速度
        sendData(0xAB,10);                                                    
//VSTOP=10停止速度，接近于0

二、硬件设计

2 e" t. q( B- {* W+ i$ L5 `

硬件设计接口上：支持SPI或UART或脉冲+方向控制

原理图如下图所示：

3 O( g* p) L; r5 q# R1 U

% ~3 ?/ o( j) e& \) P, P3 {

主芯片部分：

9 \* Q6 P. q7 x$ Y1 f

& ^, k+ m9 t; N- L; Y; `% _

补充说明：
/ L1 j0 [+ t% x$ h3 p1 JSPI_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
2 m$ J. D+ K* s2 _4 v: gVCC、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；
0 @1 T3 G0 [6 x0 K3 n

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）；
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

4 e2 ^% u# Z& I6 k7 Q$ c9 v" r3 l

PCB图参考如下（最好是4层板）：

- z! ?" N, U$ I5 y1 C$ A

补充说明：
. d0 m- P3 U( {# J2 S芯片底部最好不要走其它线，保证地平面完整及散热；
0 `; u* f5 d$ T! w5 p6 |电流取样电阻：5130不需要，5160外部MOS，要差分采样（开尔文接法）；
1 `2 Y0 G# |/ m9 [) V2 P. \

三、软件说明
- K1 B0 r& P3 I; c8 a% p9 S1、SPI接口速度模式
芯片引脚跳线连接：
5 [+ z7 ^$ L( G. k0 QSPI_MODE：接高电平（VCC_IO）
: {" j, j  M# e  r; }SD_MODE： 接低电平（GND）
/ B& B) p3 J& l, u& DJ7：短接
CSNB6
5 H" }. G0 N4 b# BSCKA5
5 J/ e  C+ s3 f( b) Q; tSDI：MOSI-PA7
SDO：MISO-PA6
$ d. }* o) I- m0 v! ~# r

2、SPI接口位置控制模式
芯片引脚跳线连接：
" w/ r2 `% ]& `! ^( j) C! `) FSPI_MODE：接高电平（VCC_IO）
SD_MODE： 接低电平（GND）
J7：短接
CSNB6
/ F+ \6 V( k3 _7 p: C1 VSCKA5
# k/ C4 _: k' T8 s4 @% H. p: O: `4 |) ?SDI：MOSI-PA7
$ B. H. X6 Z% L' z1 sSDO：MISO-PA6

3、DIR+STEP接口模式位置控制（无需SPI接口）
" W- P4 ]- ~! @) k# X" C3 m芯片引脚跳线连接：
SPI_MODE：接低电平（GND）
( B" I- p( e! [8 h" l$ S7 b* sSD_MODE：接高电平（VCC_IO）
STEP:REFL-PB4，J2：短接
DIR: REFR-PB5，J5：短接
. s' a) O, g8 F9 _CFG6RV_ENN-PC5，通过杜邦线接到底板PC5脚
! o9 m  M2 J1 \+ p  z3 TCFG5: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
) X8 S# @5 S8 h& b! ]+ P/ ACFG2: SCK-PA5
CFG1: MOSI-PA7
CFG0: MISO-PA6

初始化程序如下参考：
        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
+ `  r  v+ I# @2 V5 T5 W4 S. R9 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
! q  M% u. G% L$ @1 D7 }        HAL_GPIO_WritePin(CFG5_GPIO_Port,CFG5_Pin, GPIO_PIN_SET);               
. ~9 k# w9 T( B$ t+ K" C, a//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);
//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
3 {* ~& I* g  {: q3 ?