TMC5160智能步进电机驱动控制芯片

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TMC5160是德国TRINAMIC公司开发的一款集成了步进电机驱动控制功能的智能芯片,可以接受编码器反馈,左右限位,6点加减速控制
TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08/2018-NOV-19 目录 10.1温度传感器 73 1.操作原则∴…… 102短路保护 ,73 1.1关键概念 10.3开路诊断. 75 1.2控制接口 11.斜坡发生器 76 1.3软件 14运动和控制电机……… 8 11实际单位换算…… 76 1.5静止态自动降电流 8 11.2运动轮廓 1.6 STEALTHCHOP2& SPREADCYCLE驱动…….8 113速度周值 79 1.7 STALLGUARD2-机械负载传感 114参考开关…… 1.8 COOLSTEP一负载自适应电流控制.….9 19 DCSTEP-负载相关速度控制 12. STALLGUARD2负载检测.…82 1.10编码器接口. 10 121调整ST^ LLGUARD2阈值SGT……83 2.引脚分配.... 12.2 STALLGUARD2更新速率和滤波器… 123检测电机堵转 21封装外形 11 124用 TALLGUARD实现归零 22信号描述 12.5 LGUARD2操作局限性 3.示例电路 5 13. COOLSTEP操作 31标准应用电路 15 131对用户的好处… 86 32外部栅极电压调节器… 16 13.2Co0 OLSTEP设置 3.3选择 MOSFET和斜率 133调节 COOLSTEP 3.4调整 MOSFET桥臂 19 14.步进/向接口… 4.SP接口 141时序 4.1SP数据报结构 142改变分辩牽 4.2SP|信号…… 23 143 MICROPLYER和静止检测 91 4.3时序 4 寄存器 15.DAG输出….92 51通用配置寄存器 27 15.1脉冲/方向模式 5.2速度相关的驱动特性控制寄存器∴..3 152运动控制模式 92 53斜坡发生器寄存器….… 16. DCSTEP…94 54编码器寄存器 55电机驱动寄存器 161用户好处 62设计 DCSTEP 94 STEALTHCHOPT.mmmm.. 52 163运动控制模式下的 DCSTEP 95 61参数自调整 16.4υ CSTEP模式下的堵转检测 95 62 STEALTHCHOP选项 165 DCSTEP操作中的测量电机实际速度..96 6.3 STEALTHCHOP电流调节器… 16.6步进/方向模式下的 DCSTEP…97 64基于速度的定标 58 17.紧急停止∴100 65 STEALTHCHOP和 SPREADCYCLE两者组合.5 6.6 STEALTHCHOP的标志位, 60 18.增量编码器ABN接口 101 67空转和被动制动 61 18.1编码器时序.… 102 7. SPREADCYCLE和经典斩波方式 182设置编码器以匹配电机分辨率 102 183闭环 102 71 SPREADCYCLE斩波器 72经典恒定关断时间斩波器…… 67 19.直流电机或螺线管 104 8.选择采样电阻 191螺线管操作 104 9.基于速度的模式挫制 20.快速配置指南…… 105 10.诊断和保护 21.人门 酯看看香看看看 110 www.trinamic.com TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08/2018-NOV-19 4 21.1初始化例程 110 272地的布线… 119 22.独立操作模式… 27.3桥臂电压的布线... 119 111 27.4供乜滤波… 119 23.外部复位……..…. ∴113 275布线示例 120 24.时钟振荡器和输入… 113 28.封装机械数据.122 241内部时钟… 113 281TQF48EP封装尺寸图 ,122 242外部时钟 113 282 QFN-WA封装尺寸 124 283封装代码… 125 25.最大电气参数… 29.设计理念 126 26.电气特性 114 30.声明126 261操作范围. 114 262直流特性和时序 31.ESD敏感 126 115 263热特性…… 117 32图表… ∴127 27.布线考虑 119 33.修订历史 128 71芯片底部焊盘… 119 34.参考… 128 www.trinamic.com TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08/2018-NOV-19 1.操作原则 TMC5160运动控制和驱动芯片是CPU和大功率步进电机之间的智能功率接口器件。所有步进电机逻 辑完全在TMC5160内,不需要欤件来控制电机一一只需提供目标位置。TMC5160提供了许多独特的增强 功能,这些功能通过集成的控制驱动器得以实现εTMC5160的六点斜坡发生器自动使用 stealth Chop esTep, coolStep, and stallguard2来优化每个电机的运动。TMC5160将TMC2100、TMC2130和TMC5130 系列扩展到更高的电压和更高的电机电流 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 所有步进电杌逻辑完全在TMC5160内。不需要软件来控制电机—一只需提供目标位置。S 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-ramρ运动控制器或CPUυ产生与系统內其他部件(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。 micro Plyer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裉据步进和方向信号控制电机。 micro Plyer自动平滑运动。不霄要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裣测和冋步标志的输岀。 SPI MODE 接地, SD MOD接高电平使能此模式 TMC5160 ag pump olsen 8 alth t n rIN SRBH SA interfax oraadode& 品需 1216M 图11TMc5160基本应用框图(运动控制器 www.trinamic.com TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08/2018-NOV-19 6 8m3 TMC5160 Taoa rimp 8 op ter th motor driver GRBL opper DAG/ INT out CK IN doses slep aontrol pt. driver enabl 图12TMC5160步进/方向模式应用框图 TMC5160 carge pum2 rTiaoFyar' Configuration StandsTill de Interface motor driver Pn Orrent Obrfiguratie Cntrl register pmgrammatlA spreadon (CND) CFG6 l Index pul ug out 3. 3v or 5v VCC Is C voltage 了匚口 。 Standalone mode opt. driver Anal 图13TMc5160独立模式驱动器应用框图 11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。 www.trinamic.com TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08/2018-NOV-19 stealthchop2无元噪声、高精度斩波算法,用于电机的静止和运动状怂下的静音控制。丈 tealth Chop2在 stealth Chop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。 spread cycleˉ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。低嗓音、低共振和 低振动斩波器。 estep 负載相关速度控制。电机尽可能快地移动,不失抄 stallguard2-无传感器堵转检测和机减负載测量。 costEp 根据负载自适应电流,可将能耗黁低75%。 micro Plyer"细分内插器,用于从全步开始,以较低分辨率步长输入获得仝256微步的平滑度 除了这些性能増强辶外, TRINAMIC电机驱动器还提倛了裣測和防止短路输出、输出开路、过热 欠压情况的保障措施,以増强安全性和故障恢复 12控制接口 TMC5160支持SP接口和带有CRC校验的∪ART单线接口。此外还支持为无需寄存器配置的独立STEP DR模式。配置引脚SP_MoDE和SD_MODE到相应的高电平或者地选择接口。 121SP接口 sP丨接口是与总线时钟同步的串行位接口。当SP丨主设备发送数据到从设备时,从设备同时会向 主设备返回数据。SP主机和TMC5160之间的通信包括一条40位发送命令字和一条40位接收状态字。 毎个完整电机运动过裎通常是由多条命令构成。 122UART接口 单线接口支持类似RS485(SWP和SWN)或单线接口(SWN开路)的差分操作。它可以由任何标准 ∪ART驱动。不需妥波特率配置 13软件 从软件的角度来看,TMC5160是一个具有多个控制和状态寄存器的外围设备。其中大部分是只读 或者只写的。一些寄存器允许读写访问。如昊只写寄存器需奖读-修改-写访问,可以在主软件中通过阴 影寄存器实现。 www.trinamic.com TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08/2018-NOV-19 14运动和控制电机 141集成运动控制器 集成的32位运动控制器直接驱动电机到目标位置,或者加速到目标速度。所有的运动参数都可 以动态改变。运动控制器立即重新计算。敢小运动配置数据包含加速和减速值以及最大运动速度。攴持 设置启动和停止速度以及第二加速和减速度。集成运动控制器可对机械参考开关和无传感器 stallguard2 及时响应 优势: 灵活编程斜坡参数 有效池利用电动机转矩来加速和减速允许更高的机器性能 即时反应停止和堵转条件 142STEP/DR接口 电机可选择通过步进和方向输入来控制。在这种情况下,运动控制器不使用。步进输入引脚上的 有效边沿可以是上升沿,也可以是上升沿和下降沿双边緣,由模式位(deσge)控制。侠用两个边緣将步 进信号的触发速率降低一半,对慢速通信接口(如光耦隔高接口)非常有用。在每个活动边上,DR输入电 平值决定是向前还是向后运行。每个脉冲可以是全步或微步,其中每个全步有2、4、8、16、32、64、 128或256个微步。DR引脚上电平为低的步进(STEP)脉冲增加了微步汁数器数值,而电平高的减少了 微步计数器的数值。内部表格将指针值转换成正弦和余弦值,控制电机微步电流 15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,同时仍然禔供有效的阻尼 和制动!斜坡发生器和STEP/DR两个操作模式都支待-种更快检测静止的配置。 Standstill flag (st st) ORRENT IRUN IHOLD standstill delay TPOWEDOWN/HCLDDELAY 220/218 docks power down power down RMS motor current trace (astsf andstill] delay time ramp time 图1.1电机自动降电流 16 stealth Chop2& 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,它特別保证了电杌在静止 和慢动作时绝对安静。不同于其他电压模式斩波器, stealth(hop2不需要任何配置。通电后,它会在第 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 stealth(hop最佳配置。也可以选择,通过接口预先配置初始学习参数。 stealthChop2通过对电机度的 变化立即做出反应,允许高的电机动态。 www.trinamic.com TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08/2018-NOV-19 对于高动态的应用, spread cycle是除 stealth Chop2之外的选项。它可以通过输入引脚(独立模式)或SPl 或UART接口配置。 stealth Chop2和 spread Cycle甚至可以结合使用,以达到两者的最佳效果: stealth Chop2 用于无噪音的静止状怂,无声平滑的性能, spreadαycle用于高动态,低振动和最高的峰值逴度。 、, spread cycle是周期斩波模式。它在很宽的速度和负截范圆内提供平稳的操作和良好的共振阻尼。 adcycle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 17 stalllguard2-机械负載传感 stallguard2提倛了对电机负载的精确测量。它可以用亍堵转检测,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。 18 coolStep-负載自适应电流控制 coolstep以最佳电流驱动电机。它杈据 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 作 图1.5显示了42mm步进电机当使用 coolstep时,与50%转矩的标准操作相比的效率。在本例中 ol step在60转/分以上时启用 Efia Stridency 图1.5 coolStep下的能效(示例) 9 esTep-负载相关速度控制 esTep能让电机在其负载极限和速度极限附近运行,而不失步。如果电机上的机械负载增加到堵 转负载点,电机会自动降低速度,这样它仍然可以驱动负载。有了这个功能,马达将不会堵转。除了在 较低速度下增加扭矩之外,动态慣性将允许电机通过减速克服杋械过载。 dcStep直接与斜坡发生器集成, www.trinamic.com TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08/2018-NOV-19 10 因此即使电机速度因机械负载増加而需要降低,也能达到目标位置。α cStep可以在没有任何失步的情况 下达到10倍或更大的动态范围。通过优化高负载情况下的运动速度,该功能进-步提高了整体系统效 率 esTep优勢: 电机在过载情况下不会失步 应用程序可以运行的更快 自动实现最高的加速度 在速度极限下实现敢高的能效 全步驱动达到最高电机扭矩 便宜的马达便能满足应用 110编码器接口 TMC5160为外部增量编码器提供编码器接口。编码器不仅用于失步的判断,还可实现运动控制器的 归零功能(替代参考开关)。可编程预分频器设置编码器分辩率以逅应电机分辨率。内部包含一32位编码 器计数器。 www.trinamic.com

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