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

7 P/ i0 n$ h" X$ M: B

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。

6 k$ N/ I/ o% I% V* A8 O7 v% o

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：
//        TMC5130 SET       
        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
- ?  e* x1 U6 y) S4 y        sendData(0x90,0x0006160A);                                
//PAGE33:IHOLD_IRUN: IHOLD=10, IRUN=22(31 max.current), IHOLDDELAY=6
        sendData(0x91,0x0000000A);                               
  ]7 n) u; K& R# B& l! W. u//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
$ W9 r5 [6 ?/ n4 \0 E        sendData(0x93,0x000001F4);                               
  i6 y' f6 L2 i2 Z8 t5 q: k8 ?//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
8 l3 N& R. S. y$ M2 \        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
//PAGE43WMCONF       
# Z8 V4 j) J+ Y* n4 u/ v///////////////////////////////////////////////////////////
: g6 _  f6 q# D! G( [. A          sendData(0xA4,1000);                                            
//A1=1000第一阶段加速度
        sendData(0xA5,50000);                                    
//V1=50000加速度阀值速度V  
        sendData(0xA6,5000);                                            
) n4 u) P% ~) H, g# Q* D' [//AMAX=5000大于V1的加速度   
        sendData(0xA7,200000);                                    
* B2 r6 M2 n9 W//VMAX=200000
9 a7 y" Q/ V* T; [& a4 r        sendData(0xA8,700);                                                               
//DMAX=700大于V1的减速度
        sendData(0xAA,1400);                                            
//D1=1400小于V1的减速度
        sendData(0xAB,10);                                                    
/ p6 @2 g7 `  I6 {% U//VSTOP=10停止速度，接近于0
        sendData(0xA0,0x00000000);                                
3 k7 ^9 i$ |) z( y9 O//PAGE35:RAMPMODE=0位置模式，使用所有A、V、D参数       
! }9 B% q9 X6 {7 |" l, W2 q+ B

初始化程序如下参考：
//TMC5130 SET       
        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
3 K/ X, K, @- n" r+ v//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
' N) v7 s6 K8 b7 q" l3 V! R; f        sendData(0x90,0x00011601);                                
//PAGE33:IHOLD_IRUN: IHOLD=10, IRUN=22(31 max.current), IHOLDDELAY=1
( ?2 T! U7 R* q        sendData(0x91,0x0000000A);                               
//PAGE33:TPOWERDOWN=10:电机静止到电流减小之间的延时
        sendData(0x80,0x00000004);                               
  S6 F; d7 {/ M2 s3 o+ X: ~//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
        sendData(0x93,0x000001F4);                               
9 Q7 P- L6 O. Q1 g9 D1 Z  `0 O, ~//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
: N& }' i5 h* T# o, B$ c" V//PAGE43WMCONF         
; U8 l/ z5 l0 w6 A) R4 `          sendData(0xA4,1000);                                            
//A1=1000第一阶段加速度
2 m5 n, o$ K( `- P        sendData(0xA5,50000);                                    
//V1=50000加速度阀值速度V1
        sendData(0xA6,5000);                                            
//AMAX=5000大于V1的加速度        
# Y+ ?' L" o. O2 M# }* b        sendData(0xA7,200000);                                    
( H! J/ d: D" T+ y//VMAX=200000
, z: P" }8 T: a6 M        sendData(0xA8,700);                                                               
//DMAX=700大于V1的减速度
: z( t9 s/ G- ?6 M' s+ b2 ?: V        sendData(0xAA,1400);                                            
! I" D  e) l! t, P: u9 H/ P, r//D1=1400小于V1的减速度
+ m8 y5 n+ X8 Q" L, N9 T        sendData(0xAB,10);                                                    
: c' b1 B+ n/ H; \% d2 _. |//VSTOP=10停止速度，接近于0
8 r! K1 m8 c5 @" ^5 x6 [% k

二、硬件设计

硬件设计接口上：支持SPI或UART或脉冲+方向控制

7 L1 b9 i4 w0 g8 U1 p* E

原理图如下图所示：

2 {" K9 C% N6 [8 Y" r

主芯片部分：

: x- s4 {! C8 l' ]

0 f+ ^* e- ?& T/ S7 D

补充说明：
9 u( T. T) T5 e1 v3 r. 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
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；

电源及接电机接口部分如下图：

, W3 `' ]6 Q7 O; i! {! Z) f

补充说明：
+ H9 w$ N: ]& z) |( [6 ^. F母线电容CE1选择：一般是1A对应100uF左右（有条件的尽可能大）；
* U+ ^5 ?( q; y( P2 G电源保护：有条件的最好加防反接、TVS保护、以及保险丝等
* Z# ^& S  \6 d" ^0 ^

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）：

: c, Q: N% [, F8 q- g, i  F( @

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；
  ~' f5 E. m6 D6 S; u  ^0 V电流取样电阻：5130不需要，5160外部MOS，要差分采样（开尔文接法）；
/ g, E4 x9 Y5 ^/ a; ^2 Q/ O6 a7 c

三、软件说明
1、SPI接口速度模式
$ S1 |1 p1 ^* p3 Y  }) H! c芯片引脚跳线连接：
7 Q& h$ _, L/ T6 }6 }+ f- e  ZSPI_MODE：接高电平（VCC_IO）
SD_MODE： 接低电平（GND）
J7：短接
CSNB6
4 {3 q# k0 h0 j! |0 ?2 h. aSCKA5
SDI：MOSI-PA7
: }  m; R* ?- BSDO：MISO-PA6
0 i1 p+ H/ i+ f: m" u

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）
, b' i+ D* m* E* w' c! O  o+ WSD_MODE： 接低电平（GND）
J7：短接
CSNB6
* Q* h& ?8 ^4 p" f- Q- E* KSCKA5
SDI：MOSI-PA7
! r9 z  b& `1 ^2 k  r0 ASDO：MISO-PA6

3、DIR+STEP接口模式位置控制（无需SPI接口）
芯片引脚跳线连接：
' T0 B: Q2 j* W9 X+ jSPI_MODE：接低电平（GND）
SD_MODE：接高电平（VCC_IO）
- g9 b4 n& z# I4 }( V; S1 YSTEP:REFL-PB4，J2：短接
DIR: REFR-PB5，J5：短接
0 f9 b" p& G7 d7 O& b. E- a. BCFG6RV_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
CFG3:CSN-PB6 ，J7：短接
CFG2: SCK-PA5
CFG1: MOSI-PA7
CFG0: MISO-PA6

初始化程序如下参考：
/ m% q2 v- J2 F# t8 W: _1 P        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
7 \# p4 S7 U! d5 m        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
* j* w) W3 j0 Z        HAL_GPIO_WritePin(CFG5_GPIO_Port,CFG5_Pin, GPIO_PIN_SET);               
8 T2 k/ i4 q! M! V2 w+ N5 C. F//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
* J8 J* ]! J/ u9 Q3 |        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
5 @# y2 c1 \) v