[TMC5160]TMC5160步进电机驱动芯片，简析

admin

1.内容来自TMC5160数据手册，个人的理解简单做下笔记；
2.TMC5160做为驱动芯片，单片机作为控制器，控制一个或多个5160；
3.linux应用端和控制器通信；
4.我个人仅仅站在应用的角度去分析，不涉及过多电子方面；
5.按照章节，挑选重点，做个笔记；

0.目录
  TMC5160是步进电机控制驱动芯片，将实现自动目标定位的灵活斜坡发生器和业界最先进的步进电机驱动器结合在一起。
TRINAMICs先进的spreadCycle 和stealthChop斩波器，驱动器可绝对无噪音的运行，并实现最大效率和最佳电机扭矩控制。
0.1 特点和优势
以下是该芯片的核心内容：
  高达 20A 线圈电流的两相步进电机(外部 MOSFETs )
  支持 sixPoint™的运动控制器
  支持microPlyer™微步插值功能的的步进/方向接口
  电压范围 8…60V 直流
  SPI 和单线 UART 编码器接口和 2个参考开关输入
  256微步
  stealthChop2™斩波模式，安静平滑的运行
  电机中速运行的共振衰减
  spreadCycle™ 高动态电机控制斩波器
  dcStep™ 负载相关关速度控制
  stallGuard2™ 高精度的无传感器负载检测
  coolStep™ 电流控制，能量能减少 75%
  被动制动和空转模式
  全面保护和诊断

下图是驱动两个步进电机的应用。 当然我们是和这个cpu通信的；

1. 操作原则
TMC5160提供三种基本操作模式:
模式1:全功能运动控制和驱动器
所有步进电机逻辑完全在 TMC5160 内。不需要软件来控制电机——只需提供目标位置。SD_ MODE 接地使能此模式
模式2:脉冲和方向驱动器
像 TMC4361这样的外部高性能 S-ramp 运动控制器或 CPU 产生与系统内其他部件（如电机）同步的脉冲和方向信号。TMC5160 控制电流和运动模式，并反馈电机状态。microPlyer自动平滑运动。SD_MODE 接高电平使能此模式。
模式3:简单的步进和方向驱动器
TMC5160根据步进和方向信号控制电机。microPlyer自动平滑运动。不需CPU；配置由硬件引脚完成。静止保持电流控制由TMC5160完成。可选的反馈信号作为错误检测和同步标志的输出。SPI_MODE接地，SD_MOD接高电平使能此模式

1.1 关键概念
  TMC5160实现了TRINAMIC产品独有的高级功能。这些特征在许多步进电机应用有效的提高了精度、能效、可靠性、平滑性和能耗。
stealthChop2™ 无噪声、高精度斩波算法，用于电机的静止和运动状态下的静音控制。stealthChop2在stealthChop 的基础上，加快了电机运动加减速特性，降低的所需的电流最小值。（spreadCycle的加强版静音模式）
spreadCycle™ 高精度斩波算法，用于高动态电机运动和产生绝对干净的电流波。低噪音、低共振和低振动斩波器。(正常模式)
dcStep™ 负载相关速度控制。电机尽可能快地移动，不失步。
stallGuard2™ 无传感器堵转检测和机械负载测量。
coolStep™ 根据负载自适应电流，可将能耗降低 75 %。
microPlyer™ 细分内插器，用于从全步开始，以较低分辨率步长输入获得全256微步的平滑度（平滑模式）
  除了这些性能增强之外，TRINAMIC电机驱动器还提供了检测和防止短路输出、输出开路、过热和欠压情况的保障措施，以增强安全性和故障恢复。

1.2 静止态自动降电流
  自动电流减少大大降低了应用功耗和冷却需求。通过寄存器设置修改静态电流、延迟时间和衰减。
自动飞轮和被动制动是静止的一种选择。被动制动将电机静止功耗降低到零，同时仍然提供有效的阻尼
和制动！斜坡发生器和 STEP / DIR 两个操作模式都支持一种更快检测静止的配置。


1.3 stealthChop2 & spreadCycle 驱动
  stealthChop 基于电压斩波器的原理。除了电机机械滚轮轴承产生的噪音，它特别保证了电机在静止和慢动作时绝对安静。不同于其他电压模式斩波器,stealthChop2 不需要任何配置。通电后，它会在第一次运动中自动学习最佳设置，并进一步优化后续运动中的设置。初始的归零过程足以使系统完成stealthChop 最佳配置。也可以选择，通过接口预先配置初始学习参数stealthChop2 通过对电机速度的变化立即做出反应，允许高的电机动态。
对于高动态的应用，spreadCycle是除stealthChop2之外的选项。它可以通过输入引脚(独立模式)或SPI或UART接口配置。stealthChop2和spreadCycle甚至可以结合使用，以达到两者的最佳效果: stealthChop2
用于无噪音的静止状态，无声平滑的性能，spreadCycle用于高动态，低振动和最高的峰值速度。
spreadCycle方案自动集成和调节快衰减周期，以保证平滑过零性能。
stealthChop2 优势:
  显著改善了低成本电机微步性能
  电机运行平稳安静
  绝对没有待机噪音
  降低机械共振产生改善的扭矩
总结：spreadCycle是周期斩波模式。它在很宽的速度和负载范围内提供平稳的操作和良好的共振阻尼。
stealthChop2就更厉害了，亲测，确实可以降低运行噪音；但是官方有吹牛嫌疑

1.4 stallGuard2 – 机械负载传感
  stallguard2提供了对电机负载的精确测量。它可以用于堵转检测，也可以用于低于使电机失步的负载下的其他用途，例如coolStep负载自适应调节电流。这提供了更多关于驱动器的信息，允许诸如无传感器归零和驱动器机械诊断之类的功能。

1.5 coolStep –负载自适应电流控制
coolstep 以最佳电流驱动电机。它根据 stallguard2 负载测量信息将电机电流调整到实际负载所需的最小量。节约了能源，降低了芯片的温度。
好处是:
  能效能效功耗降低高达 75 %
  电机产生较少热量提高了机械精度
  较少或没有散热提高了可靠性
  使用较小的电机减少所需的转矩→成本较低的电机完成这项工

2 stealthChop 和 spreadCycle 两者组合
  对于需要高速运动的应用，spreadCycle在高速运行更稳定。为了将无噪音与最高的动态性能相结合，可以设置速度阈值将spreadCycle和stealthChop结合在一起。stealthChop只在低于这个速度阈值时有效。

当然，也可以代码去实现，判断运行的最大速度，来完成stealthChop 和 spreadCycle模式的切换；

3. 选择采样电阻
  TMC5160 提供了几种设置电机电流的方法:采样电阻、GLOBALSCALER 和电流定标器 CS。要驱动电
机，请选择一个符合或略超过定标 100 %设置时对应最大所需电流的采样电阻值。通过8位全局定标器
细调特定电机的电流。电机电流由5位定标器(实际定标参数可通过 CS 读取)设置，由 coolStep、运行和
保持电流( IRUN、IHOLD )控制调节。CS 控制与 TRINAMIC 其它芯片兼容。
采样电阻选择适当的值设置所需的最大电机电流。下表显示了使用标准电阻达到的 RMS 均值电流。


  应仔细选择采样电阻。电机电流全流过采样电阻。斩波操作会导致采样电阻上有来自MOSFET桥的
脉冲电流。低电感采样电阻，例如薄膜电阻或CCR（碳晶实芯）电阻，能有效抑制电压尖峰引起的振
铃，从而避免不稳定的测量结果。此外，低电感、低电阻PCB布局也是必不可少的。最好采用大面积的
地平面。另请参阅第27章中的布局注意事项。
采样电阻阻值决定了上限电流，由软件寄存器 IRUN、IHOLD 和 GLOBALSCALER 设置多需的电流值。
一般在最大电流设置( GLOBALSCALER = 0，IRUN = 31 )情况下按照所需的最大电流(或稍多一些)选择采样电
阻值。

  在电机静止状态下，线圈峰值电流可能全部流过采样电阻，除非降低待机功率。在正常情况下，采
样电阻上的电流小于线圈RMS电流，因为在慢衰减阶段期间没有电流流过采样电阻。

9. 基于速度的模式控制
  TMC5160支持不同的斩波模式和操作模式，以实现最佳电机控制。根据电机负载的不同，不同的模
式可以优化为最低噪声&高精度、最高动态或最高速度下的最大扭矩。某些功能，如 coolStep 或
stallguard 2，在有限的速度范围内是有用的。在需要宽速度范围的应用中可组合多个速度阈值实现不同
的操作模式。

11.2.2 启动和停止速度
  当设置启动和停止速度时，很明显，随后向相反方向移动系统会有 VSTART+VSTOP 的跳动，而不仅
仅是 VSTART。电机可能无法跟随这种情况，您可以设置 TZEROWAIT 来延迟后续运动。有效延迟时间由标
志位 t_zerowait_active 标记。到达目标位置后，position_reached 标志将变为活动状态。

11.3 速度阈值
  斜坡发生器包括与 VACTUAL 相关的多个速度阈值。不同范围允许将电机编程到最佳步进模式、线圈
电流和加速度设置。大多数应用程序不需要所有阈值，但原则上所有模式都可以组合，如图 11.1 所示。
VHIGH 和 VCOOLTHRS 由设置 THIGH 和 TCOOLTHRS 确定，以便在使用外部步进输入时确定速度。将 TSTEP
与这些阈值进行比较。磁滞分别为 1/16 或 1/32 TSTEP 以避免在 TSTEP 测量中发生抖动时比较结果的连续
翻转。速度的阈值上限分别提高了1/16 或 1/32。未示出 stealthChop 阈值 TPWMTHRS。它可以包含在
VPWMTHRS < VCOOLTHRS 中