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。

' v% ?  X6 I5 b- ~

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)
        sendData(0x90,0x0006160A);                                
9 n: D' z2 p. ?% B3 E- E& D//PAGE33:IHOLD_IRUN: IHOLD=10, IRUN=22(31 max.current), IHOLDDELAY=6
- s3 Y, c1 {1 i: _' y        sendData(0x91,0x0000000A);                               
//PAGE33:TPOWERDOWN=10:电机静止到电流减小之间的延时
" h9 I) E% t4 d* Z% D& \        sendData(0x80,0x00000004);                               
//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
        sendData(0x93,0x000001F4);                               
3 E* D- g/ V1 j; R$ X7 z; v- Y//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
: B; H9 X/ p2 R; }; O6 ?( M# q1 b        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
//PAGE43WMCONF       
, Q2 @5 O5 {; v* f% {///////////////////////////////////////////////////////////
          sendData(0xA4,1000);                                            
) N% }# A' ?- J0 f$ T: P//A1=1000第一阶段加速度
        sendData(0xA5,50000);                                    
( X0 {8 n* r; D/ {//V1=50000加速度阀值速度V  
- @# G+ m4 d4 L9 c! W, Q; I        sendData(0xA6,5000);                                            
9 z# U$ H: g. w- T4 q//AMAX=5000大于V1的加速度   
        sendData(0xA7,200000);                                    
//VMAX=200000
3 D. H& {4 W. R        sendData(0xA8,700);                                                               
; I0 V# c# r) t: U; c//DMAX=700大于V1的减速度
        sendData(0xAA,1400);                                            
2 |+ j) B. N5 B* }//D1=1400小于V1的减速度
        sendData(0xAB,10);                                                    
//VSTOP=10停止速度，接近于0
) f) y, S& j, p5 q" O, Y9 J! }        sendData(0xA0,0x00000000);                                
//PAGE35:RAMPMODE=0位置模式，使用所有A、V、D参数       
+ R. E+ r, o; z$ ?1 d' H

初始化程序如下参考：
//TMC5130 SET       
$ S# c2 ]# [7 Q9 I  @        sendData(0xEC,0x000100C3);                                
//CHOPCONF: TOFF=3, HSTRT=4, HEND=1, TBL=2, CHM=0 (spreadcycle)
        sendData(0x90,0x00011601);                                
7 _2 m9 z+ ~% W//PAGE33:IHOLD_IRUN: IHOLD=10, IRUN=22(31 max.current), IHOLDDELAY=1
        sendData(0x91,0x0000000A);                               
* b8 V1 ~! |, Z: Q( J//PAGE33:TPOWERDOWN=10:电机静止到电流减小之间的延时
        sendData(0x80,0x00000004);                               
* w+ J& x. Q, z* i' M//PAGE27:EN_PWM_MODE=1，使能
" ?( z% n  W2 L5 L5 }        sendData(0x93,0x000001F4);                               
//PAGE33:TPWM_THRS=500,对应切换速度35000=ca.30RPM
0 [" d9 Y% i. I1 r, F, s        sendData(0xF0,0x000401C8);                               
; o( j& g: h) Y: [//PAGE43WMCONF         
          sendData(0xA4,1000);                                            
; z) x% ~* x" P9 X" Y//A1=1000第一阶段加速度
        sendData(0xA5,50000);                                    
6 \4 z4 @+ p' Y3 X//V1=50000加速度阀值速度V1
( p. J0 @! [5 k# N% m: }2 T        sendData(0xA6,5000);                                            
//AMAX=5000大于V1的加速度        
+ _7 }3 N  u4 _; g4 ]0 I        sendData(0xA7,200000);                                    
* i- K8 H$ z5 ^( R$ Z& h# F9 O//VMAX=200000
- @# c: l! g( [4 c% j9 N        sendData(0xA8,700);                                                               
7 [. Z0 u4 t  v7 r6 [4 X* z8 I//DMAX=700大于V1的减速度
        sendData(0xAA,1400);                                            
/ g- r6 f4 M( m. l) V2 x//D1=1400小于V1的减速度
        sendData(0xAB,10);                                                    
//VSTOP=10停止速度，接近于0

初始化程序如下参考：
1 }* `  M( m( n) \( `$ S* r5 Y/ @        HAL_GPIO_WritePin(CFG0_GPIO_Port,CFG0_Pin, GPIO_PIN_SET);                        //PAGE:110 CFG0设置为高，TOOF：236Tclk
        SubdivisionSet(16);                //PAGE:111 细分设置为16
0 O% v0 D3 V2 m( }" k0 [% S! t        ISet();                                        //电流设置AGE:111
        HAL_GPIO_WritePin(CFG4_GPIO_Port,CFG4_Pin, GPIO_PIN_SET);                        //PAGE:111 CFG4设置为高，chopper hysteresis斩波器滞后 设置为9
        HAL_GPIO_WritePin(CFG5_GPIO_Port,CFG5_Pin, GPIO_PIN_SET);               
9 m$ p7 A  U( \) n2 z: u7 R  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);
//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
& T* p1 Z  U/ ?6 Y9 _; s( _) c

二、硬件设计

硬件设计接口上：支持SPI或UART或脉冲+方向控制

8 x5 K% J, T$ F6 a3 Y- \) M; z1 o

原理图如下图所示：

( Q7 t7 q. v4 t- V+ W9 K4 Q0 O) S

/ E  Z% @9 Y. A
0 f$ p' l& J; j. `. |* ~: D
/ l0 Q% H9 R) h& D- b

主芯片部分：

补充说明：
" f2 c) v1 u8 l) S& F, ySPI_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
7 G/ }' R; l& A0 J2 x7 bVCC、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：

& `2 R5 Q9 `4 [5 m

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
( g( X* p: [/ x. N

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

* \5 m7 x- q# q/ F) n  J

PCB图参考如下（最好是4层板）：

补充说明：
0 P; H7 U: C4 j9 y$ B芯片底部最好不要走其它线，保证地平面完整及散热；
! o; n: Q5 a) C5 k' L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
4 V6 j% n: @1 ^0 X) Y4 u1、SPI接口速度模式
芯片引脚跳线连接：
( W* G$ C) d4 P# z, JSPI_MODE：接高电平（VCC_IO）
$ R4 r& J2 h9 `  ~5 iSD_MODE： 接低电平（GND）
J7：短接
CSNB6
0 r" ], e* o9 ]; o0 t' G* W. uSCKA5
* K4 K$ d& `" ]2 Q4 E1 GSDI：MOSI-PA7
SDO：MISO-PA6

2、SPI接口位置控制模式
+ d  |  p0 Y# ]) R5 A芯片引脚跳线连接：
SPI_MODE：接高电平（VCC_IO）
, z  a1 D3 g' ?SD_MODE： 接低电平（GND）
% J" v6 v" G) ^* O* F* T  t6 @J7：短接
1 [2 a2 m3 F5 A- cCSNB6
SCKA5
SDI：MOSI-PA7
" I1 d7 X) ^3 ISDO：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：
# X: H1 Z4 D. ^SPI_MODE：接低电平（GND）
SD_MODE：接高电平（VCC_IO）
STEP:REFL-PB4，J2：短接
  ?4 `# `$ {& r2 z+ R2 e" |6 z) e; oDIR: REFR-PB5，J5：短接
CFG6RV_ENN-PC5，通过杜邦线接到底板PC5脚
( s/ |- R# K9 GCFG5:ENCA-PC8，通过杜邦线接到底板PC8脚
* K3 u) I! [: }  H  sCFG4:ENCB-PC6，通过杜邦线接到底板PC6脚
CFG3:CSN-PB6 ，J7：短接
. h/ U+ k* t. ^8 j4 g* F  lCFG2: SCK-PA5
CFG1: MOSI-PA7
. J; \2 |0 B8 S6 P" w1 K4 j: SCFG0: MISO-PA6