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。

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

, Z! ?7 p0 D/ U4 C) w" G

初始化程序如下参考：
  E1 \) f/ M* r' w# {* F0 A//        TMC5130 SET       
        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
9 {; k/ E$ W# H3 F( B: B: N        sendData(0x91,0x0000000A);                               
! W8 K0 l8 r) X4 |//PAGE33:TPOWERDOWN=10:电机静止到电流减小之间的延时
! E; j/ ?( W& E; ]        sendData(0x80,0x00000004);                               
* g  j! _" ]4 D//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
% E, p3 L! ^. b" L& T& X        sendData(0x93,0x000001F4);                               
$ v( i* i- V( f- h9 r. ]//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
7 Y* T4 _- o& a2 L        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
//PAGE43WMCONF       
///////////////////////////////////////////////////////////
          sendData(0xA4,1000);                                            
- x/ Z1 a$ b/ K: u. S8 C//A1=1000第一阶段加速度
        sendData(0xA5,50000);                                    
: M+ i1 I5 P: r% v9 n: X3 L6 _8 U//V1=50000加速度阀值速度V  
4 b: l- p, ?  z2 {$ g$ C4 [        sendData(0xA6,5000);                                            
' G1 u. h* q& y//AMAX=5000大于V1的加速度   
+ w9 `$ R2 I! Y  a" J        sendData(0xA7,200000);                                    
9 V  l6 f" h' c! [3 k7 u$ ~$ d$ j//VMAX=200000
        sendData(0xA8,700);                                                               
$ ?! ?2 ]. |1 {; `0 m1 f//DMAX=700大于V1的减速度
7 n: }3 Z0 i8 ]        sendData(0xAA,1400);                                            
3 U4 i. S+ N; J6 g//D1=1400小于V1的减速度
        sendData(0xAB,10);                                                    
3 e! Q, J& A2 S# c. j" o5 X0 L8 V# K//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       

初始化程序如下参考：
: b" s- O- F: P* U* ]. b//TMC5130 SET       
  S" E4 e- d$ k- b0 T% @        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
7 s& M+ W: ?' O* h2 f# R) c        sendData(0x90,0x00011601);                                
" q3 w( _! _, `9 h% N  O8 l4 n//PAGE33:IHOLD_IRUN: IHOLD=10, IRUN=22(31 max.current), IHOLDDELAY=1
        sendData(0x91,0x0000000A);                               
1 B8 j/ z' J: D, O7 v//PAGE33:TPOWERDOWN=10:电机静止到电流减小之间的延时
        sendData(0x80,0x00000004);                               
//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
) G) B. g' |/ [+ G/ l4 t& u0 ~        sendData(0x93,0x000001F4);                               
//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
3 N' l5 \8 j$ F! ~% P) G& l" a        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
//PAGE43WMCONF         
          sendData(0xA4,1000);                                            
//A1=1000第一阶段加速度
        sendData(0xA5,50000);                                    
//V1=50000加速度阀值速度V1
        sendData(0xA6,5000);                                            
. G) z" Q1 E0 f7 L- L//AMAX=5000大于V1的加速度        
        sendData(0xA7,200000);                                    
//VMAX=200000
9 t* [1 e: ]7 k, H        sendData(0xA8,700);                                                               
//DMAX=700大于V1的减速度
        sendData(0xAA,1400);                                            
. k) h* l1 ^( \  I5 Q* f7 E4 U//D1=1400小于V1的减速度
        sendData(0xAB,10);                                                    
3 y. `. z0 k/ a6 S//VSTOP=10停止速度，接近于0
9 \8 A! o" C/ r

二、硬件设计

5 c$ ~8 m/ {, |

硬件设计接口上：支持SPI或UART或脉冲+方向控制

* Q- ^2 S! m5 V& |, F  M

原理图如下图所示：

( q  Z7 ]4 G* O! B8 P% z" t. R9 w

# u1 k% B/ W" q7 L6 |

主芯片部分：

补充说明：
% I4 t; A& n  x3 pSPI_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
VCC、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 b2 x$ E5 m! m/ i& O6 S

电源及接电机接口部分如下图：

9 t/ c; _  ]/ E3 D+ r9 w7 ]* @" N

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）；
+ `6 G' I$ N* J$ f0 P. C* o4 I7 X. X, b电源保护：有条件的最好加防反接、TVS保护、以及保险丝等
. i% b) Y, r. P) k2 W, e1 M) J

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）：

2 U+ u" P: d- `7 A. V

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；
9 a# K# j% |' P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
% e- z2 B/ E3 C. V" O- }CSNB6
SCKA5
SDI：MOSI-PA7
SDO：MISO-PA6

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）
; Y' k. {5 ^/ j$ w! ?SD_MODE： 接低电平（GND）
J7：短接
CSNB6
8 \5 G: P9 E* L( T- |5 }: iSCKA5
SDI：MOSI-PA7
SDO：MISO-PA6
. j; u# l& a; X' ?. C" @/ j2 t

3、DIR+STEP接口模式位置控制（无需SPI接口）
# {0 X9 [! a8 c' J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
! d) |9 R# M* F2 }( s5 CDIR: REFR-PB5，J5：短接
CFG6RV_ENN-PC5，通过杜邦线接到底板PC5脚
( L  M# R5 ^  c( T% v$ R- O- l2 mCFG5: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
2 M: C0 C# `' }6 J% a, r% l. }" gCFG2: SCK-PA5
CFG1: MOSI-PA7
7 M2 ~: x4 V/ j$ Z' x+ jCFG0: MISO-PA6
3 J7 }: U! J5 p

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
        ISet();                                        //电流设置AGE:111
2 X! ^& B& P0 r5 R! f        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
& X+ h' T$ Q& T$ [5 b, V3 u2 J        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
9 Q! ^3 W9 J  H" J9 t! I        HAL_GPIO_WritePin(STEP_GPIO_Port,STEP_Pin, GPIO_PIN_SET);                        //STEP设置为高
7 W! g; l" }1 n7 P