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

* c9 o! m1 ^9 C. 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。

" i. }$ `# {# H; q+ @" e* C. g2 f( s

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

/ E9 x" p2 P/ X8 I$ @; c* M) C

初始化程序如下参考：
: O: [% S  h6 b  E, _3 y- g- {* z1 S//        TMC5130 SET       
        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
9 v3 |8 b. Y" I( U& u/ g        sendData(0x90,0x0006160A);                                
$ Z) ^* {1 A( `: _, P//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
0 M2 }, H3 \- z) p9 p5 V        sendData(0x80,0x00000004);                               
//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
        sendData(0x93,0x000001F4);                               
//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
9 I. Z7 }+ d4 ^3 ?" K  D8 U        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
//PAGE43WMCONF       
- ^  D; N% t' u, l2 R///////////////////////////////////////////////////////////
          sendData(0xA4,1000);                                            
- h" z; J! [, i3 ?% {//A1=1000第一阶段加速度
        sendData(0xA5,50000);                                    
//V1=50000加速度阀值速度V  
- U3 h1 `; ^& h  }4 y9 P        sendData(0xA6,5000);                                            
//AMAX=5000大于V1的加速度   
0 ~! P# ^% d( d3 H) _        sendData(0xA7,200000);                                    
//VMAX=200000
        sendData(0xA8,700);                                                               
//DMAX=700大于V1的减速度
  v) q8 ?# C, ^3 ~        sendData(0xAA,1400);                                            
2 y' r- f1 ^# q( J//D1=1400小于V1的减速度
) j! `7 q  T2 p5 {" W  N        sendData(0xAB,10);                                                    
//VSTOP=10停止速度，接近于0
        sendData(0xA0,0x00000000);                                
" o+ D" L. z, `/ Y//PAGE35:RAMPMODE=0位置模式，使用所有A、V、D参数       
- O+ p7 b1 q3 k: f

初始化程序如下参考：
//TMC5130 SET       
% q! M5 U* s; e+ S7 t        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
        sendData(0x90,0x00011601);                                
: ]( J0 x; |8 X1 h//PAGE33:IHOLD_IRUN: IHOLD=10, IRUN=22(31 max.current), IHOLDDELAY=1
4 \# Q: @6 S% N# }        sendData(0x91,0x0000000A);                               
//PAGE33:TPOWERDOWN=10:电机静止到电流减小之间的延时
        sendData(0x80,0x00000004);                               
: L, ^) m- V2 u6 X) [//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
. U' ^- ?: r3 B5 J0 G' A        sendData(0x93,0x000001F4);                               
//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
1 b$ ^* B; Y' d9 Q. E: ~        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
' N. J$ Q* ~. F5 J3 ^0 j* r/ {//PAGE43WMCONF         
; j6 X6 M% y' @- [          sendData(0xA4,1000);                                            
$ s  Z% m+ u+ g//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);                                            
//AMAX=5000大于V1的加速度        
        sendData(0xA7,200000);                                    
! m! a! R8 A0 p- n//VMAX=200000
9 Y% ]( E9 w' Z" F. M& y# t& ^$ G% W        sendData(0xA8,700);                                                               
//DMAX=700大于V1的减速度
        sendData(0xAA,1400);                                            
) C6 L: O, O* ]) N: F2 R/ M4 A//D1=1400小于V1的减速度
. t* |- r! z. I. x        sendData(0xAB,10);                                                    
, f4 b- J- z3 r6 z2 X; `$ Z( J# R//VSTOP=10停止速度，接近于0
) ~4 g; o/ D, t5 J8 V6 q3 d

# M; [* Y* H6 @$ u

二、硬件设计

7 e9 w- H2 [  _6 [

硬件设计接口上：支持SPI或UART或脉冲+方向控制

* Y# i( {* \. \, n$ N: Z9 v

原理图如下图所示：

' a5 P- y' g4 y% ]
- R/ o% h( E5 N1 o

主芯片部分：

/ |- Z6 w8 B- Y9 |. w+ o" G; Z

# l( Z& q7 U8 W9 N' w1 D

补充说明：
SPI_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；
9 F8 M, ~# C- b, o7 L  _% S' t5 E% q

电源及接电机接口部分如下图：

6 Y% E2 \7 w* z1 [

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 V# J2 a" w  Z. h6 o; T! ^

PCB图参考如下（最好是4层板）：

  [7 R; ?: ]% A

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；
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
+ Y( ^8 [1 b1 i芯片引脚跳线连接：
: ?) P; W2 z3 J5 Q1 P* h, x  m$ DSPI_MODE：接高电平（VCC_IO）
SD_MODE： 接低电平（GND）
J7：短接
0 ^  \3 k. K/ t2 O' [  tCSNB6
SCKA5
SDI：MOSI-PA7
SDO：MISO-PA6

2、SPI接口位置控制模式
7 l( O8 Q6 [* S7 P2 J; N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
CSNB6
SCKA5
/ E) ?8 E9 Q0 }; g/ w2 W6 c; oSDI：MOSI-PA7
SDO：MISO-PA6
3 G7 w/ q- D. A% [% Z

3、DIR+STEP接口模式位置控制（无需SPI接口）
  @4 z& n: M' @3 _/ v  X芯片引脚跳线连接：
. \) ^% ^) }& D" x- ~& tSPI_MODE：接低电平（GND）
# R% r# Y7 d+ M- t% MSD_MODE：接高电平（VCC_IO）
STEP:REFL-PB4，J2：短接
; C/ ~9 b- G( w- d2 w. U& PDIR: REFR-PB5，J5：短接
CFG6RV_ENN-PC5，通过杜邦线接到底板PC5脚
' e, L0 i3 P" ^/ E. Z- oCFG5:ENCA-PC8，通过杜邦线接到底板PC8脚
  H% L7 u5 Z, ]+ e2 zCFG4:ENCB-PC6，通过杜邦线接到底板PC6脚
5 m2 f6 l5 _- GCFG3:CSN-PB6 ，J7：短接
1 q6 J  Z2 J* c, E5 T/ {7 b7 FCFG2: SCK-PA5
  S- P# m4 Y) C$ ?CFG1: MOSI-PA7
CFG0: MISO-PA6
3 d+ X  \3 _+ @3 l# m9 K  ?# m

初始化程序如下参考：
: h, k$ u* y% U* \        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
; X% y4 |; _5 |0 v/ A% i        ISet();                                        //电流设置AGE:111
- f9 ^; c- O8 P# N        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
/ D2 W# Q0 M3 H% v, O        HAL_GPIO_WritePin(CFG5_GPIO_Port,CFG5_Pin, GPIO_PIN_SET);               
/ [& n. E. u" o0 r9 \2 U$ ~1 X* u//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);
& S0 N/ F# C6 P( W; o- E7 t7 d//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
* O5 n7 Y) q$ j# H) v% A