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智能步进驱控一体芯片TMC5160A_中文手册.pdf静音驱动多点加减速控制

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：10.16M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    1.操作原则
    1.1 关键概念
    1.2控制接口
    1.2.1SPI 接口
    1.2.2UART 接口
    1.3软件
    1.4运动和控制电机
    1.4.1集成运动控制器
    1.4.2STEP/DIR接口
    1.5静止态自动降电流
    1.6StealthChop 2 & SpreadCycle 驱动
    1.7StallGuard2 – 机械负载传感
    1.8CoolStep –负载自适应电流控制
    1.9DcStep –负载相关速度控制
    1.10 编码器接口
    2.引脚分配
    2.1封装外形
    2.2信号描述
    3.示例电路
    3.1标准应用电路
    3.2外部栅极电压调节器
    3.3选择MOSFET和斜率
    3.4调整 MOSFET 桥臂
    3.5高压应用
    4.SPI接口
    4.1 SPI数据报结构
    4.1.1 写/读选择(WRITE_notREAD)
    4.1.2 每次SPI数据报读回时传送的状态位
    4.1.3 数据排列
    4.2SPI 信号
    4.3时序
    5.寄存器
    5.1通用配置寄存器
    5.1. 1 OTP_READ – OTP 配置存储器
    5.2与速度相关的驱动特性控制寄存器
    5.3斜坡发生器寄存器
    5.3.1 斜坡发生器运动寄存器
    5.3.2 斜坡发生器驱动特性控制寄存器组
    5.3.2.1 SW_MODE –参考开关和stallguard 2事件配置寄存器
    5.3.2.2 RAMP_STAT –斜坡和参考开关状态寄存器
    5.4编码器寄存器
    5.4.1 ENCMODE – 编码器寄存器
    5.5电机驱动寄存器
    5.5.1MSLUTSEL –查找表段定义
    5.5.2 CHOPCONF –斩波器配置
    5.5.3 COOLCONF –智能电流控制 CoolStep 和StallGuard2
    5.5.4 PWMCONF – 电压脉宽调制模式 StealthChop
    5.5.5 DRV_STATUS –StallGuard2值和驱动错误标志
    6.StealthChop ™
    6.1参数自调整
    6.2 StealthChop 选项
    6.3 StealthChop 电流调节器
    6.3.1电流下限
    6.4基于速度的定标
    6.5StealthChop 和spreadCycle两者组合
    6.6StealthChop 的标志位
    6.6.1 开路标志
    6.6.2PWM_SCALE_SUM寄存器反应电机状态
    6.7 空转和被动制动
    7.SpreadCycle 和 经典斩波方式
    7.1 SpreadCycle 斩波器
    7.2经典恒定关断时间斩波器
    8.选择采样电阻
    9. 基于速度的模式控制
    10.诊断和保护
    10.1温度传感器
    10.2短路保护
    10.3开路诊断
    11.斜坡发生器
    11.1实际单位换算
    11.2运动轮廓
    11.2.1 斜坡模式
    11.2.2 启动和停止速度
    11.2.3 速度模式
    11.2.4 斜坡提前终止
    11.2.5 应用示例:操纵手柄控制
    11.3速度阈值
    11.4参考开关
    12.StallGuard2 负载检测
    12.1调整 StallGuard2 阈值 SGT
    12.1.1 速度 阈值TCOOLTHRS 和THIGH
    12.1.2 具有高转矩脉动和共振的小电机
    12.1.3 电机线圈电阻的温度依赖性
    12.1.4 StallGuard2测量准确度和重复性
    12.2StallGuard2更新速率和滤波器
    12.3 检测电机堵转
    12.4StallGuard 实现归零
    12.5 StallGuard2 操作局限性
    13.CoolStep操作
    13.1对用户的好处
    13.2 CoolStep设置
    13.3调节CoolStep
    13.3.1 响应时间
    13.3.2 低速和静止操作
    14.步进/方向 接口
    14.1时序
    14.2改变分辨率
    14.3MicroPlyer和静止检测
    15.DIAG 输出
    15.1 脉冲/方向模式
    15.2运动控制模式
    16.DcStep
    16.1用户好处
    16.2设计 DcStep
    16.3运动控制模式下的DcStep
    16.4DcStep模式下的堵转检测
    16.5DcStep操作中的测量电机实际速度
    16.6步进/方向模式下的DcStep
    16.6.1 DcStep操作中LOST_STEPS
    16.6.2 运动控制器的DCO接口
    17.紧急停止
    18.增量编码器ABN接口
    18.1编码器时序
    18.2 设置编码器以匹配电机分辨率
    18.3 闭环
    19.直流电机或 螺线管
    19.1螺线管操作
    20.快速配置指南
    21.入门
    21.1初始化例程
    22.独立操作模式
    23.外部复位
    24.时钟振荡器和输入
    24.1 内部时钟
    24.2外部时钟
    24.2.1 频率的考虑
    25.最大电气参数
    26.电气特性
    26.1操作范围
    26.2直流特性和时序
    26.3热特性
    27.布线考虑
    27.1芯片底部焊盘
    27.2地的布线
    27.3桥臂电压的布线
    27.4供电滤波
    27.5布线示例
    28.封装机械数据
    28.1TQFP48-EP封装尺寸图
    28.2QFN-WA封装尺寸
    28.3封装代码
    29.设计理念
    30.声明
    31.ESD 敏感
    32专为可持续发展而设计
    33图表
    32.修订历史
    33.参考
    POWER DRIVER FOR STEPPER MOTORS INTEGRATED CIRCUITS TMC5160 数据手册 两相双极性步进电机的高电压通用控制器/驱动器。stealthChop™控制电机安静运行。外加 MOSFET 实现高达 20A 的 电机线圈电流控制。带步进/方向接口和 SPI。 应用 机器人与工业驱动 纺织、缝纫机 包装 工厂和实验室自动化 高速 3D 打印机 液体处理 医疗 特点和优势 描述 TMC5160 是带串行通信接口的高功率步进 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。配合外置的功率晶 体管，实现高动态、高扭矩电机驱动。 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。高集成度、高能效和小外形尺寸使 系统小型化和性能扩展可行，从而实现经 济高效的解决方案。完整的解决方案在实 现高性能基础上极大缩短学习时间。 驱动高达 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 TRINAMIC Motion Control GmbH & Co. KG Hamburg, Germany 功能框图
    TMC5160/ TMC5160A DATASHEET (Rev. 1.13 / 2019-NOV-19) 2 应用示例:高压-多用途 TMC5160 集成了完整的运动控制功能、高质量的电流调节功能和强大的外部 MOSFET 驱动，涵盖了多种 从电池供电的高效系统到 20 安培电机线圈电流的嵌入式应用。TMC5160 包含驱动电机所需的全部智能。配置 TMC5160 目 标 位 置 就 可 以 驱 动 电 机 。 TMC5160 支 持 TRINAMICs 独 有 的 StallGuard2, CoolStep, DcStep, SpreadCycle 和 StealthChop 功能，优化了驱动器性能，平衡了速度和电机扭矩，优化了能源效率、驱动平稳且 无噪音。TMC 5160 的小尺寸，降低了成本，满足小型化布局需求。提供全套芯片、控制板和软件的支持使竞 争产品能够缩短设计周期快速上市。高能效和可靠性可简化相关系统(如电源和冷却系统)设计并节约成本。 TMC5130 驱动 1.4A 的电机电流，适合功率较小的应用，软件与 TMC5160 兼容。 带标定单元的 ABN 编码器接口和两个参考开 关输入用于确保电机正确运动，若编码器有 位置偏差时，可使能中断。 左图是驱动两个步进电机的应用。每个电 机带一个 ABN 编码器接口和两个参考开 关。如果运动电机不需要实时任务，可用 一个 CPU 控制整个系统。CPU 板和控制器 /驱动器板之间的连接简单，节省了器件之 间的空间。 TMC5160-EVAL 是 TRINAMICs 通用评估系 统套件的一部分，该系统包含硬件处理板 及用户友好的评估软件。TMC 5160 评估 板 硬 件由 三部 分 组 成: landungsbruck ( 基 板)、eselsbruck (有测试点的连接器板)和 TMC 5160 - EVAL PN 描述 尺寸[平方毫米] 订购代码 订购代码 www.trinamic.com
    TMC5160/ TMC5160A DATASHEET (Rev. 1.13 / 2019-NOV-19) 3 TMC5160A-TA 00-0179 需外加 MOSFET 的步进控制器/驱动器; TQFP48 7 x 7 (主体) TMC5160A-WA 00-0192 需外加 MOSFET 的步进控制器/驱动器; wett. QFN8x8 8 x 8  TMC5160A-xx-T …-T -T 代表卷带包装(xx= TA or WA) TMC5160A-EVAL 40-0138 TMC5160 （/A）评估板 LANDUNGSBRÜCKE 40-0167 TMC 5160 - EVAL 和其它评估板的主控板 ESELSBRÜCKE 40-0098 LANDUNGSBRÜCKE 的连接板. 85 x 55 85 x 55 61 x 38 提示:手册中提到的 TMC5160 为 TMC5160 和 TMC5160A 总称，除非特别标注“A 版本”或“非 A 版本”，A 版本兼 容非 A 版本。 目录 1. 操作原则.....................................................6 1.1 关键概念.................................................8 4.1 4.2 SPI 数据报结构.....................................32 SPI 信号................................................. 34 1.2 控制接口.................................................8 4.3 时序.......................................................36 1.3 软件.........................................................9 1.4 运动和控制电机...................................10 5. 寄存器.......................................................37 5.1 通用配置寄存器...................................39 1.5 静止态自动降电流...............................10 5.2 与速度相关的驱动特性控制寄存器...49 STEALTHCHOP 2 & SPREADCYCLE 驱动........ 10 5.3 斜坡发生器寄存器...............................52 STALLGUARD2 – 机械负载传感............... 11 5.4 编码器寄存器.......................................62 COOLSTEP –负载自适应电流控制..........11 5.5 电机驱动寄存器...................................65 1.6 1.7 1.8 1.9 DCSTEP –负载相关速度控制................. 12 1.10 编码器接口...........................................12 2. 引脚分配...................................................14 2.1 封装外形...............................................14 6. STEALTHCHOP ™....................................... 81 6.1 参数自调整...........................................82 6.2 6.3 STEALTHCHOP 选项..................................86 STEALTHCHOP 电流调节器......................86 2.2 信号描述...............................................15 6.4 基于速度的定标...................................90 3. 示例电路...................................................20 3.1 标准应用电路.......................................21 6.5 6.6 STEALTHCHOP 和 SPREADCYCLE 两者组合. 92 STEALTHCHOP 的标志位.......................... 93 3.2 外部栅极电压调节器...........................22 6.7 空转和被动制动...................................94 3.3 选择 MOSFET 和斜率........................... 23 3.4 调整 MOSFET 桥臂................................26 7. 7.1 SPREADCYCLE 和 经典斩波方式..............97 SPREADCYCLE 斩波器............................... 98 3.5 高压应用...............................................31 7.2 经典恒定关断时间斩波器.................102 4. SPI 接口.....................................................32 8. 选择采样电阻.........................................104 www.trinamic.com
    TMC5160/ TMC5160A DATASHEET (Rev. 1.13 / 2019-NOV-19) 4 基于速度的模式控制.............................107 9. 10. 诊断和保护.............................................109 10.1 温度传感器.........................................109 10.2 短路保护.............................................110 10.3 开路诊断.............................................113 11. 斜坡发生器.............................................114 11.1 实际单位换算.....................................114 16.4 16.5 DCSTEP 模式下的堵转检测................. 140 DCSTEP 操作中的测量电机实际速度. 142 16.6 步进/方向模式下的 DCSTEP............... 143 17. 紧急停止.................................................146 18. 增量编码器 ABN 接口........................... 147 18.1 编码器时序.........................................148 18.2 设置编码器以匹配电机分辨率.........149 11.2 运动轮廓.............................................116 18.3 闭环.....................................................150 11.3 速度阈值.............................................118 11.4 参考开关.............................................119 19. 直流电机或 螺线管................................151 19.1 螺线管操作.........................................152 12. STALLGUARD2 负载检测........................122 12.1 调整 STALLGUARD2 阈值 SGT................ 124 12.2 STALLGUARD2 更新速率和滤波器........126 12.3 检测电机堵转.....................................126 12.4 12.5 STALLGUARD 实现归零..........................126 STALLGUARD2 操作局限性....................127 13. COOLSTEP 操作...................................... 128 13.1 对用户的好处.....................................128 13.2 COOLSTEP 设置......................................128 13.3 调节 COOLSTEP..................................... 131 14. 步进/方向 接口......................................132 14.1 时序.....................................................132 14.2 改变分辨率.........................................134 14.3 MICROPLYER 和静止检测......................135 15. DIAG 输出............................................... 136 15.1 脉冲/方向模式................................... 136 15.2 运动控制模式.....................................137 16. DCSTEP.................................................... 138 16.1 用户好处.............................................138 16.2 设计 DCSTEP......................................... 139 16.3 运动控制模式下的 DCSTEP.................140 www.trinamic.com 20. 快速配置指南.........................................153 21. 入门.........................................................160 21.1 初始化例程.........................................160 22. 独立操作模式.........................................161 23. 外部复位.................................................165 24. 时钟振荡器和输入.................................165 24.1 内部时钟.............................................165 24.2 外部时钟.............................................165 25. 最大电气参数.........................................166 26. 电气特性.................................................167 26.1 操作范围.............................................167 26.2 直流特性和时序.................................168 26.3 热特性.................................................172 27. 布线考虑.................................................174 27.1 芯片底部焊盘.....................................174 27.2 地的布线.............................................174 27.3 桥臂电压的布线.................................174 27.4 供电滤波.............................................175 27.5 布线示例.............................................176 28. 封装机械数据.........................................179 TQFP48-EP 封装尺寸图......................179 28.1
    TMC5160/ TMC5160A DATASHEET (Rev. 1.13 / 2019-NOV-19) 5 28.2 QFN-WA 封装尺寸..............................182 28.3 封装代码.............................................183 29. 设计理念.................................................184 30. 声明.........................................................185 ESD 敏感................................................. 185 31. 专为可持续发展而设计.........................185 32 图表.........................................................186 33 32. 修订历史.................................................188 33. 参考.........................................................188 www.trinamic.com
    TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08 / 2018-NOV-19) 6 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,不需要软件来控制电机——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 。 TMC5160 的 SixPoint 六 点 斜 坡 发 生 器 结 合 StealthChop , DcStep, CoolStep, and StallGuard2 来 优 化 每 个 电 机 的 运 动 。TMC5160 扩 展 了 TMC2100 、 TMC2130 和 TMC5130 系列，支持更高的电压和更高的电机电流 TMC 5160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 TMC 4361 这样的外部高性能 S-ramp 运动控制器或 CPU 可以产生与系统内其他部件（如电机） 同步的脉冲和方向信号，则 TMC5160 只控制电流和斩波模式。 TMC5160 根据外部的脉冲和方向信号控制电机，反馈电机状态。 MicroPlyer 优化运动，使得电机可以更平滑。 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 TMC 5160根据步进和方向引脚的信号控制电机。 MicroPlyer优化运动，使得电机可以更平滑。 不需要CPU；配置由硬件引脚完成。 TMC 5160 控制不同工作状态的电流设置，如静止状态下的保持电流。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 www.trinamic.com
    TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08 / 2018-NOV-19) 7 图1.1 TMC 5160基本应用框图(运动控制器) 图1.2 TMC5160 步进/方向模式应用框图 www.trinamic.com
    TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08 / 2018-NOV-19) 8 图1.3 TMC5160 独立模式驱动器应用框图 1.1 关键概念 TMC 5160包含了TRINAMIC产品特有的高级功能。这些高级功能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。 StealthChop 2™ 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 spreadCycle™ DcStep™ StallGuard2™ CoolStep™ MicroPlyer™ 在 StealthChop 的基础上，加快了电机运动加减速特性，降低了所需的电流最小值。 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。 与负载相关的速度控制。电机尽可能快地移动，不失步 无传感器的堵转检测和机械负载测量。 根据负载自适应电流，可将能耗降低 75 %。 细分内插器，用于从全步开始，以较低细分输入获得 256 微步的平滑度 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，以增强安全性及故障恢复处理。 1.2 控制接口 TMC 5160有SPI和带CRC校验的UART单线通讯接口。此外还支持无需寄存器配置的独立STEP / DIR模 式。通过配置引脚SPI _ MODE和SD _ MODE的高低选择接口。 www.trinamic.com
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