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。

/ c& ~2 r* z* @8 z$ r/ v' ?3 |

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

) {3 @; D0 P9 q6 U) g

初始化程序如下参考：
//        TMC5130 SET       
        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
" {+ g5 p$ A7 ^7 P# t. _$ Y: O//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
" G8 f* x# x5 l2 n# G. ]6 Z1 ]. R        sendData(0x90,0x0006160A);                                
: x+ I: N7 _* a4 o7 g4 ]//PAGE33:IHOLD_IRUN: IHOLD=10, IRUN=22(31 max.current), IHOLDDELAY=6
        sendData(0x91,0x0000000A);                               
9 Z  o* F3 v- B0 h//PAGE33:TPOWERDOWN=10:电机静止到电流减小之间的延时
; H- e! S& G. S8 l9 P        sendData(0x80,0x00000004);                               
9 G2 O$ i& W, o! i) _- O( E//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
        sendData(0x93,0x000001F4);                               
" W- a4 C/ R# F$ L8 o//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
3 y* n& |/ L  e: U) ]) ^, N6 i//PAGE43WMCONF       
///////////////////////////////////////////////////////////
" [/ R* s5 `$ V6 D  m4 b' X6 X& F          sendData(0xA4,1000);                                            
( V+ X8 q2 i* z//A1=1000第一阶段加速度
        sendData(0xA5,50000);                                    
//V1=50000加速度阀值速度V  
& Q* b( ?& P* m0 T        sendData(0xA6,5000);                                            
//AMAX=5000大于V1的加速度   
        sendData(0xA7,200000);                                    
* x/ T4 ~( Q1 |! h  O* ?//VMAX=200000
5 U$ @( f/ O; h/ A        sendData(0xA8,700);                                                               
//DMAX=700大于V1的减速度
; `" s/ Y2 b- B        sendData(0xAA,1400);                                            
9 r& t; R+ n# E5 J& L  I4 ~6 `* l. U//D1=1400小于V1的减速度
0 `  y9 t$ _0 @& A        sendData(0xAB,10);                                                    
//VSTOP=10停止速度，接近于0
3 T; i: X  C5 d! Z5 W+ ?        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：
1 K  m: q0 k& h4 M6 T//TMC5130 SET       
8 _$ j+ P4 C4 j0 k* A        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
3 b3 t" K, i9 k4 B//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
        sendData(0x90,0x00011601);                                
4 a3 K' |' Z7 b' D  r; H//PAGE33:IHOLD_IRUN: IHOLD=10, IRUN=22(31 max.current), IHOLDDELAY=1
( f+ R  e% z1 g4 R( G        sendData(0x91,0x0000000A);                               
0 Z/ }7 t1 i7 U3 ?7 b//PAGE33:TPOWERDOWN=10:电机静止到电流减小之间的延时
' X* d" ^2 N7 t' K5 @, Q        sendData(0x80,0x00000004);                               
5 \+ C0 G' ]' n) j' r4 A  G% H//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
' u9 b" L  X$ }+ g, _        sendData(0x93,0x000001F4);                               
" L: W" H) l  L; J6 i- z//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
3 E8 _" K* L1 n, h7 o1 Q//PAGE43WMCONF         
5 Q8 N; r: s! ?# O7 J* N          sendData(0xA4,1000);                                            
//A1=1000第一阶段加速度
8 u; V* B1 B; E        sendData(0xA5,50000);                                    
//V1=50000加速度阀值速度V1
        sendData(0xA6,5000);                                            
& L! C6 @5 [2 f& X//AMAX=5000大于V1的加速度        
        sendData(0xA7,200000);                                    
//VMAX=200000
& [8 D0 ^6 I& F        sendData(0xA8,700);                                                               
//DMAX=700大于V1的减速度
: ^5 H) T5 J& ]6 j" }        sendData(0xAA,1400);                                            
//D1=1400小于V1的减速度
" b% m! L: J, Y; D+ ^, ~& r        sendData(0xAB,10);                                                    
& D1 U  C! T' D7 D+ \/ [//VSTOP=10停止速度，接近于0

" b- s1 x- v1 z; Z

二、硬件设计

. ^) K4 t  _+ u) y" b+ {! s

硬件设计接口上：支持SPI或UART或脉冲+方向控制

" T2 g" O8 X" ^  D2 M

原理图如下图所示：

- J4 L1 j- z# T+ @% c

- e! N- ~* L" N' V& ]

主芯片部分：

$ z5 B0 H7 c( M5 u" E6 Z6 E

补充说明：
6 R/ b& U4 ?, U) hSPI_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
! Q5 _9 E. r9 v8 p% q( b0 qVCC、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：
' |( ^  i- }' z: t母线电容CE1选择：一般是1A对应100uF左右（有条件的尽可能大）；
. |. N* k' R2 \电源保护：有条件的最好加防反接、TVS保护、以及保险丝等
8 r; t  z# Y' ~: d9 j% ^( t

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）：

- p" z" f! c0 |+ A2 o

% }/ W$ }  P$ W/ z/ {: k0 t5 _

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）；
! C1 i; x. E8 N0 r' q

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）
4 n- N6 {' ?0 p) [5 ASD_MODE： 接低电平（GND）
1 G. v: }4 Q; f- aJ7：短接
' [6 h7 A0 B. M! PCSNB6
SCKA5
  {6 F: w5 G* |7 P5 A) fSDI：MOSI-PA7
* C2 ]& I( Y- [5 O* M; _. pSDO：MISO-PA6
  |& k% u! w0 h  a. r9 {( B) f

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）
* y0 r" }) @  [3 {) q) F, q  E0 UJ7：短接
1 i0 y! m  b* E$ G. q: P, G+ UCSNB6
3 l7 ?% O; s! T4 BSCKA5
0 [5 x, v' d# \+ kSDI：MOSI-PA7
SDO：MISO-PA6
7 A& w! [( G' m

3、DIR+STEP接口模式位置控制（无需SPI接口）
芯片引脚跳线连接：
) A% i1 [9 z: }6 l% }: BSPI_MODE：接低电平（GND）
SD_MODE：接高电平（VCC_IO）
STEP:REFL-PB4，J2：短接
! ~. b) F" `- J" {4 S. }! k8 \2 I9 PDIR: REFR-PB5，J5：短接
- O7 e. r8 i. j) LCFG6RV_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
. W7 \$ I) ]1 s" PCFG4: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：
* k" z# F" Y" R" m9 Z        HAL_GPIO_WritePin(CFG0_GPIO_Port,CFG0_Pin, GPIO_PIN_SET);                        //PAGE:110 CFG0设置为高，TOOF：236Tclk
9 g7 u* u) w) X; }/ v% B( [- D0 T        SubdivisionSet(16);                //PAGE:111 细分设置为16
7 z/ ~0 P: |/ H2 J  L        ISet();                                        //电流设置AGE:111
( c9 g: v2 G! r5 g5 K7 k        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);
6 j- L1 m7 V6 p& M" \//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