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。

) }- A% I- c. S, D2 B, Y

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

' g9 [8 B; c: ~

初始化程序如下参考：
+ b% Y: m) a0 J# S7 `//        TMC5130 SET       
5 O& V' |- L$ \7 Y6 u9 Q: p        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
% h. u0 D6 h) N6 |9 i# C9 {        sendData(0x90,0x0006160A);                                
//PAGE33:IHOLD_IRUN: IHOLD=10, IRUN=22(31 max.current), IHOLDDELAY=6
        sendData(0x91,0x0000000A);                               
//PAGE33:TPOWERDOWN=10:电机静止到电流减小之间的延时
" p4 o1 C' s* \- f$ O1 c  E        sendData(0x80,0x00000004);                               
//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
        sendData(0x93,0x000001F4);                               
7 W2 d- a7 H2 X( l) B3 u7 S//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
3 o6 B  L' Z% ]        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
//PAGE43WMCONF       
: b1 c5 p8 v7 O/ b( N  a5 L7 [///////////////////////////////////////////////////////////
# Y3 w3 N( @7 u) {. t6 k6 z% z5 j          sendData(0xA4,1000);                                            
: Q! c# D! |. |$ L. e' g$ }//A1=1000第一阶段加速度
' t+ z$ [& K% E1 Y        sendData(0xA5,50000);                                    
//V1=50000加速度阀值速度V  
; ?" w% U& A$ e6 T1 D        sendData(0xA6,5000);                                            
//AMAX=5000大于V1的加速度   
$ Z' u$ Y$ l; s/ \- R8 w        sendData(0xA7,200000);                                    
9 \, L9 x7 a" {# {) i2 Z/ h//VMAX=200000
: H& ]8 {4 d( f2 E# \* h        sendData(0xA8,700);                                                               
9 W, T) ~* }' `" u//DMAX=700大于V1的减速度
        sendData(0xAA,1400);                                            
3 i: u# B2 P* V//D1=1400小于V1的减速度
        sendData(0xAB,10);                                                    
, f) g  T( ^' U  O/ C: W//VSTOP=10停止速度，接近于0
+ D- j; T0 V& v2 ?% a        sendData(0xA0,0x00000000);                                
* f- ~1 T8 |1 n& e  h: f3 i//PAGE35:RAMPMODE=0位置模式，使用所有A、V、D参数       
/ s& a$ Z5 l1 _+ `

初始化程序如下参考：
//TMC5130 SET       
* F# m& `1 F# x$ p4 @$ A        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
1 w% Z& c( C( M: x) B' ]//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
        sendData(0x90,0x00011601);                                
//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
$ n8 t# z- |3 i1 K& V$ h' Y        sendData(0x80,0x00000004);                               
- t/ M8 p3 `' W) t  D7 V: ?//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
. E, \/ q) t' A, L        sendData(0x93,0x000001F4);                               
. [$ @0 K4 y3 Q1 p# Y) O//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
6 Y. D; U+ O- T        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
//PAGE43WMCONF         
          sendData(0xA4,1000);                                            
% I) F0 [5 ^! [* ?# w; R//A1=1000第一阶段加速度
        sendData(0xA5,50000);                                    
. M) r! O) _  o/ j//V1=50000加速度阀值速度V1
        sendData(0xA6,5000);                                            
' e8 r) ]5 ~5 H8 [5 D; w. |//AMAX=5000大于V1的加速度        
        sendData(0xA7,200000);                                    
! X, ~0 i) G$ ?5 T  \' _% T5 R0 P//VMAX=200000
$ K6 I$ h0 p# y! E: c9 t6 s        sendData(0xA8,700);                                                               
//DMAX=700大于V1的减速度
# d- c9 w% I- s- q% A3 b        sendData(0xAA,1400);                                            
//D1=1400小于V1的减速度
7 \8 B' O$ j5 D* O$ o        sendData(0xAB,10);                                                    
3 T( H- v" z6 Y. i8 D//VSTOP=10停止速度，接近于0
, v0 H- \. Q7 ~- \

初始化程序如下参考：
! B6 `* I- b$ t" k9 L8 t        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
        ISet();                                        //电流设置AGE:111
; P. ]. ^, W1 D2 _# f$ Y% O        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
5 H- C' N% H" E0 V) m1 D4 U        HAL_GPIO_WritePin(CFG5_GPIO_Port,CFG5_Pin, GPIO_PIN_SET);               
. T& Z. |5 d  k8 G! 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);
2 d' h/ E* T+ Q" z! O//PAGE:112 CFG6设置为低电机驱动使能，为高关闭
8 F# p$ {  E) c6 D        HAL_GPIO_WritePin(STEP_GPIO_Port,STEP_Pin, GPIO_PIN_SET);                        //STEP设置为高

二、硬件设计

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：

- D9 A6 x+ t1 H% e+ j

+ M! a! J: ]! @- U& j) s
( N+ V) u  |+ R
# c' d0 J; |7 ]3 t: _) Q& K

主芯片部分：

$ K9 L; l9 m: z! l. r" ]

补充说明：
1 B& C' e+ w$ T' y; a1 DSPI_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
" |, ?; U! ]( L) v+ a% u9 LVCC、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）；
2 G* d0 D! X2 o( @8 ]2 }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

) V7 b4 u1 v- n8 H( }3 f

$ O6 j1 u' n1 Q

PCB图参考如下（最好是4层板）：

补充说明：
2 V# T1 V5 {, k  `芯片底部最好不要走其它线，保证地平面完整及散热；
( f  O4 o+ @; x电流取样电阻：5130不需要，5160外部MOS，要差分采样（开尔文接法）；
; E! \) s6 z, Z9 L6 X6 a

三、软件说明
1、SPI接口速度模式
芯片引脚跳线连接：
& P/ q/ J" B# E9 R. p& cSPI_MODE：接高电平（VCC_IO）
SD_MODE： 接低电平（GND）
J7：短接
CSNB6
0 d3 J6 t# i" s: N4 ~SCKA5
SDI：MOSI-PA7
6 H  @0 M4 R% e9 _4 X3 rSDO：MISO-PA6
% X- W& z% Z% G( D: L2 c! @

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）
( z. m7 B3 e5 a- sJ7：短接
, ~/ j3 u! B! qCSNB6
SCKA5
& k1 G. H: N! _2 CSDI：MOSI-PA7
& l3 a% ?6 y4 y& O& p+ Y2 D# aSDO：MISO-PA6
7 L5 B6 s6 A- r* A

3、DIR+STEP接口模式位置控制（无需SPI接口）
$ v! r: L( \: b" B3 O+ }& |) M6 R芯片引脚跳线连接：
SPI_MODE：接低电平（GND）
SD_MODE：接高电平（VCC_IO）
STEP: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
/ y1 i2 P4 K& |9 N6 w, bCFG4:ENCB-PC6，通过杜邦线接到底板PC6脚
CFG3:CSN-PB6 ，J7：短接
CFG2: SCK-PA5
9 K& p( |. G: d0 p( S/ J& V; YCFG1: MOSI-PA7
9 G4 e: _8 Z; n, b* iCFG0: MISO-PA6