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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" D4 T" y) g$ ^- r

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

) x5 c, `% k1 N3 B

初始化程序如下参考：
" l9 G, O! T- X- R  }: H; `//        TMC5130 SET       
4 e1 L) x0 H: {- v        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
2 |6 H/ H4 H, c        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
        sendData(0x80,0x00000004);                               
" u* Q- k2 z+ E. I' A" r9 h//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
        sendData(0x93,0x000001F4);                               
//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
: ^9 M* }% `# p6 ^* p' M1 D        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
) |- l( e! `2 s2 y//PAGE43WMCONF       
///////////////////////////////////////////////////////////
6 f# M2 c6 Y; u5 b$ U- H          sendData(0xA4,1000);                                            
//A1=1000第一阶段加速度
7 D. w/ z2 o, D- v( l        sendData(0xA5,50000);                                    
# ?! a1 A4 z$ i; f//V1=50000加速度阀值速度V  
        sendData(0xA6,5000);                                            
+ V+ b) o- Q1 o2 c3 z/ y' v! V//AMAX=5000大于V1的加速度   
        sendData(0xA7,200000);                                    
. L; E1 p+ Q% m4 q/ F//VMAX=200000
        sendData(0xA8,700);                                                               
+ a+ D; o" j+ f. W- p* W//DMAX=700大于V1的减速度
) g2 J6 v- G/ P$ N- q6 A        sendData(0xAA,1400);                                            
//D1=1400小于V1的减速度
, ], ]" o7 `! k$ P; J/ {        sendData(0xAB,10);                                                    
) k5 _' k0 E9 O: A! r//VSTOP=10停止速度，接近于0
        sendData(0xA0,0x00000000);                                
0 p1 u) {' ^& i% _3 d9 e3 O% B$ P) I//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：
; m! p$ T. w+ l0 ~6 h" [//TMC5130 SET       
        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
7 p, Q# z- G. `  x2 N9 {        sendData(0x90,0x00011601);                                
//PAGE33:IHOLD_IRUN: IHOLD=10, IRUN=22(31 max.current), IHOLDDELAY=1
* W* p6 k; T6 F4 \& l, a        sendData(0x91,0x0000000A);                               
//PAGE33:TPOWERDOWN=10:电机静止到电流减小之间的延时
# `7 o& v$ l. I* a( p* [        sendData(0x80,0x00000004);                               
//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
  O& @* Z8 Z4 I8 j6 [        sendData(0x93,0x000001F4);                               
* m: b# {8 D- P: w//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
, J5 ^2 y" w4 @; Q: W        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
% L& S$ C: e+ I' A* B//PAGE43WMCONF         
          sendData(0xA4,1000);                                            
//A1=1000第一阶段加速度
        sendData(0xA5,50000);                                    
+ E8 N( `9 ?6 s" H4 I+ F; H* h6 N//V1=50000加速度阀值速度V1
; G+ w' c: M: T2 D9 z& ?% I0 g        sendData(0xA6,5000);                                            
2 z* T6 F6 U# Z//AMAX=5000大于V1的加速度        
        sendData(0xA7,200000);                                    
% t& C, G) d$ D! ?% ^//VMAX=200000
- E2 s* F& F$ y        sendData(0xA8,700);                                                               
- U* j+ N% P, C- x//DMAX=700大于V1的减速度
        sendData(0xAA,1400);                                            
. U& E6 J  x; ]/ L5 z6 |# W) x9 H//D1=1400小于V1的减速度
0 }- C3 c. p5 s# c2 x        sendData(0xAB,10);                                                    
/ J' c, q+ @+ }" ^+ Y' G$ \5 U//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

原理图如下图所示：

. o  q8 d2 T5 M: D8 d+ c, u. T

4 k5 B9 l- P% ?: K

6 I4 E: S( H3 L+ Z7 |! L5 ~3 m

主芯片部分：

! ~" V! k+ ~% }8 @- V* g) N- D

补充说明：
9 G# I. t! ]& |5 u: X, iSPI_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；
  e- y5 ?5 S, y* ]7 _% v( @

电源及接电机接口部分如下图：

. r- I5 j% F3 S' I7 @8 [

补充说明：
( x. |! P+ v/ v/ \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

PCB图参考如下（最好是4层板）：

补充说明：
8 q6 S% a) d9 M6 m. C芯片底部最好不要走其它线，保证地平面完整及散热；
% o# I& z7 j& B7 n电流取样电阻：5130不需要，5160外部MOS，要差分采样（开尔文接法）；
/ \' ^* X; R0 J0 {! `5 h

三、软件说明
1、SPI接口速度模式
9 j! L2 j2 T# r  N# h. V/ L芯片引脚跳线连接：
1 A9 a3 ^4 n) K, r! nSPI_MODE：接高电平（VCC_IO）
SD_MODE： 接低电平（GND）
J7：短接
CSNB6
SCKA5
SDI：MOSI-PA7
SDO：MISO-PA6
3 t4 v8 Q" N/ {

2、SPI接口位置控制模式
/ G( O) _/ Q% l, g$ \% ?3 ?芯片引脚跳线连接：
SPI_MODE：接高电平（VCC_IO）
SD_MODE： 接低电平（GND）
$ V/ b3 M! n( O" z% L8 z9 m% y- M/ LJ7：短接
$ X6 i1 ]$ b* ~; xCSNB6
SCKA5
0 h( x, k. A3 ]8 x% C  dSDI：MOSI-PA7
/ @0 g+ i) l- L* ^SDO：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：
SPI_MODE：接低电平（GND）
* d# C0 u1 m" O9 u9 x$ _* wSD_MODE：接高电平（VCC_IO）
* b" ~5 @) [' n/ E* A9 O5 j/ ~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
8 A! z  V8 v) w$ W5 C3 m& k# GCFG5:ENCA-PC8，通过杜邦线接到底板PC8脚
1 o6 a* G, D5 Z, {; sCFG4:ENCB-PC6，通过杜邦线接到底板PC6脚
CFG3:CSN-PB6 ，J7：短接
CFG2: SCK-PA5
: m8 o. @9 ]. \+ uCFG1: 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
) ^6 {0 J1 n# |4 H        SubdivisionSet(16);                //PAGE:111 细分设置为16
$ |2 L- G# ]; ]; [  F* ^: ]        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);
9 i' Z2 V, s9 L+ b) s/ h/ k+ P//PAGE:112 CFG6设置为低电机驱动使能，为高关闭
, o* \: r; ^: U" G6 z        HAL_GPIO_WritePin(STEP_GPIO_Port,STEP_Pin, GPIO_PIN_SET);                        //STEP设置为高
7 h6 E" U1 ]. y# o; Y+ V