TMC5160数据手册中文版.pdf

发布时间：2022-06-03 发布人：admin 分类：说明书资料大小：8.48M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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应用示例:高压-多用途

1. 操作原则

1.1 关键概念

1.2 控制接口

1.3 软件

1.4 运动和控制电机

1.5 静止态自动降电流

1.6 stealthChop2 & spreadCycle 驱动

1.7 stallGuard2 – 机械负载传感

1.8 coolStep –负载自适应电流控制

1.9 dcStep –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

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

4.2 SPI 信号

4.3 时序

5. 寄存器

5.1 通用配置寄存器

0x00 17 GCONF

0x01 3 GSTAT

0x02 8 IFCNT

0x03 8+4 SLAVECONF

0x04 8+8 IOIN

0x04 1 OUTPUT

0x05 32 X_COMPARE

0x06 OTP_PROG

0x07 OTP_READ

5.1. 1 OTP_READ – OTP 配置存储器

0x08 5 FACTORY_CONF

0x09 19 SHORT_CONF

0x0A 22 DRV_CONF

0x0B 8 GLOBALSCALER

0x0C 16 OFFSET_READ

5.2 速度相关的驱动特性控制寄存器

0x10 5+5+4 IHOLD_IRUN

0x11 8 TPOWERDOWN

0x12 20 TSTEP

0x13 20 TPWMTHRS

0x14 20 TCOOLTHRS

0x15 20 THIGH

5.3 斜坡发生器寄存器

5.3.1 斜坡发生器运动寄存器

0x20 2 RAMPMODE

0x21 32 XACTUAL

0x22 24 VACTUAL

0x23 18 VSTART

0x24 16 A1

0x25 20 V1

0x26 16 AMAX

0x27 23 VMAX

0x28 16 DMAX

0x2A 16 D1

0x2B 18 VSTOP

0x2C 16 TZEROWAIT

0x2D 32 XTARGET

5.3.2 斜坡发生器驱动特性控制寄存器组

0x33 23 VDCMIN

0x34 12 SW_MODE

5.3.2.1 SW_MODE –参考开关和 stallguard 2 事件配置寄存器

0x35 14 RAMP_STAT

5.3.2.2 RAMP_STAT –斜坡和参考开关状态寄存器

0x36 32 XLATCH

5.4 编码器寄存器

5.4.1 ENCMODE – 编码器寄存器

0x38 11 ENCMODE

0x39 32 X_ENC

0x3A 32 ENC_CONST

0x3B 2 ENC_STATUS

0x3C 32 ENC_LATCH

0x3D 20 ENC_DEVIATION

5.5 电机驱动寄存器

0x60 32MSLUT[0]

0x61…0x67 7x 32 MSLUT[1...7]

0x68 32 MSLUTSEL

5.5.1 MSLUTSEL –查找表段定义

0x69 8+8 MSLUTSTART

0x6A 10 MSCNT

0x6B 9+9 MSCURACT

0x6C 32 CHOPCONF

5.5.2 CHOPCONF –斩波器配置

0x6D 25 COOLCONF

5.5.3 COOLCONF –智能电流控制 coolStep 和 stallGuard2

0x6E 24 DCCTRL

0x6F 32 DRV_STATUS

5.5.5 DRV_STATUS –stallGuard2 值和驱动错误标志

0x70 22 PWMCONF

5.5.4 PWMCONF – 电压脉宽调制模式 stealthChop

0x71 9+8 PWM_SCALE

0x72 8+8 PWM_AUTO

0x73 20 LOST_STEPS

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

6.5 stealthChop 和 spreadCycle 两者组合

6.6 stealthChop 的标志位

6.6.1 开路标志

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

12.2 stallGuard2 更新速率和滤波器

12.3 检测电机堵转

12.4 用 stallGuard 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

14.3 microPlyer 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

16.4 dcStep 模式下的堵转检测

16.5 dcStep 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

电流设置和 STEALTHCHOP 初始步骤

调整 STEALTHCHOP 及 SPREADCYCLE

运动控制器控制电机

使能 COOLSTEP (只在 SPREADCYCLE 下有效)

设置 DCSTEP

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

28.1 TQFP48-EP 封装尺寸图

28.2 QFN-WA 封装尺寸

28.3 封装代码

29. 设计理念

30. 声明

31. ESD 敏感

32 图表

33. 修订历史

34. 参考

POWER DRIVER FOR STEPPER MOTORS INTEGRATED CIRCUITS 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 TMC5160 数据手册电机线圈电流控制。带步进/方向接口和 SPI。特点和优势高达 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紧凑尺寸 9x9mm2 TQFP48 / 8x8mm² QFN 封装 Full Protection & Diagnostics Compact Size 9x9mm2 TQFP48 package / 8x8mm² QFN BLOCK DIAGRAM 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办公自动化视频监控自动取款机现金回收机泵和阀描述 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。通过外置外部晶体管，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可扩展可行，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将学习时间减小到最小。 TRINAMIC Motion Control GmbH & Co. KG Hamburg, Germany

TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08 / 2018-NOV-19) 应用示例:高压-多用途 2 TMC5160 具有完整的运动控制功能、强大的外部 MOSFET 驱动和高质量的电流调节。它提供了多种用途，涵盖了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，优化能源效率、驱动平稳且无噪音。TMC 5160 的尺寸线，成本降低，满足小型化布局需求。芯片、控制板和软件级别的广泛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 提供 1.4A 的电机电流，适合功率较小的应用，软件与 TMC5160 兼容。 MI NI ATURI ZED DESI GN FOR ONE STEPPER MOTOR Ref. Sw it ches High-Level I nt erface CPU SPI TMC5160 M Encoder COMPACT DESI GN FOR MULTI PLE STEPPER MOTORS High-Level I nt erface CPU SPI or UART TMC5160 M Addr. Chaining w it h UART TMC5160 M Addr. N C S s i g n a l f o r S P I More TMC5160 or TMC5130 or TMC5072 带定标单元的 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，编码器有位置偏差时，可使其中断。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经济且节省空间 TMC5160-EVAL 是 TRINAMICs 通用评估板系统的一部分，该系统包含方便的硬件处理板及用户易于使用的评估软件工具。 TMC 5160 评估板系统由三部分组成 : landungsbruck (基板)、eselsbruck (有测试点的连接器板)和 TMC 5160 – EVAL 描述需外加 MOSFET 的步进控制器/驱动器; TQFP48 需外加 MOSFET 的步进控制器/驱动器; wett. QFN8x8 -T 代表卷带包装 (xx= TA or WA) TMC5160 评估板 TMC 5160 - EVAL 和其它评估板的主控板连接评估板系统的连接板. 尺寸[平方毫米] 9 x 9 8 x 8 85 x 55 85 x 55 61 x 38 订购代码订购代码 TMC5160-TA TMC5160-WA TMC5160-xx-T TMC5160-EVAL LANDUNGSBRÜCKE ESELSBRÜCKE www.trinamic.com

TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08 / 2018-NOV-19) 目录 1. 操作原则 ................................................. 5 1.1 关键概念 ................................................ 6 1.2 控制接口 ................................................ 7 1.3 软件 ........................................................ 7 1.4 运动和控制电机 .................................... 8 1.5 静止态自动降电流 ................................ 8 STEALTHCHOP2 & SPREADCYCLE 驱动 ........... 8 1.6 STALLGUARD2 – 机械负载传感 ................. 9 1.7 COOLSTEP –负载自适应电流控制 ........... 9 1.8 1.9 DCSTEP –负载相关速度控制 ................... 9 1.10 编码器接口 .......................................... 10 引脚分配 ............................................... 11 2.1 封装外形 .............................................. 11 2.2 信号描述 .............................................. 12 2. 3. 示例电路 ............................................... 15 4. 5. 3.1 标准应用电路 ...................................... 15 3.2 外部栅极电压调节器 .......................... 16 3.3 选择 MOSFET 和斜率 .......................... 17 3.4 调整 MOSFET 桥臂 ............................... 19 SPI 接口 ................................................. 22 SPI 数据报结构 .................................... 22 4.1 4.2 SPI 信号 ................................................ 23 4.3 时序 ...................................................... 24 寄存器 ................................................... 26 5.1 通用配置寄存器 .................................. 27 5.2 速度相关的驱动特性控制寄存器 ...... 33 5.3 斜坡发生器寄存器 .............................. 35 5.4 编码器寄存器 ...................................... 40 5.5 电机驱动寄存器 .................................. 42 STEALTHCHOP™ ..................................... 52 6.1 参数自调整 .......................................... 52 6.2 STEALTHCHOP 选项 .................................. 55 6.3 STEALTHCHOP 电流调节器 ...................... 55 6.4 基于速度的定标 .................................. 58 STEALTHCHOP 和 SPREADCYCLE 两者组合 .. 59 6.5 6.6 STEALTHCHOP 的标志位 .......................... 60 6.7 空转和被动制动 .................................. 61 6. 7. SPREADCYCLE 和经典斩波方式 ............ 63 7.1 SPREADCYCLE 斩波器............................... 64 7.2 经典恒定关断时间斩波器 .................. 67 8. 9. 选择采样电阻 ........................................ 69 基于速度的模式控制 ............................ 71 3 10.1 温度传感器 .......................................... 73 10.2 短路保护 .............................................. 73 10.3 开路诊断 .............................................. 75 11. 斜坡发生器 ............................................ 76 11.1 实际单位换算 ...................................... 76 11.2 运动轮廓 .............................................. 77 11.3 速度阈值 .............................................. 79 11.4 参考开关 .............................................. 79 12. STALLGUARD2 负载检测 ........................ 82 12.1 调整 STALLGUARD2 阈值 SGT .................. 83 12.2 STALLGUARD2 更新速率和滤波器 ......... 84 12.3 检测电机堵转 ...................................... 85 12.4 用 STALLGUARD 实现归零 ...................... 85 STALLGUARD2 操作局限性 ..................... 85 12.5 COOLSTEP 操作 ...................................... 86 13.1 对用户的好处 ...................................... 86 13.2 COOLSTEP 设置 ....................................... 86 13.3 调节 COOLSTEP ....................................... 88 13. 14. 步进/方向接口 ..................................... 89 14.1 时序 ..................................................... 89 14.2 改变分辨率 .......................................... 90 14.3 MICROPLYER 和静止检测........................ 91 15. DIAG 输出 .............................................. 92 16. 15.1 脉冲/方向模式 .................................... 92 15.2 运动控制模式 ...................................... 92 DCSTEP ................................................... 94 16.1 用户好处 .............................................. 94 16.2 设计 DCSTEP ........................................... 94 16.3 运动控制模式下的 DCSTEP .................. 95 16.4 DCSTEP 模式下的堵转检测 ................... 95 16.5 DCSTEP 操作中的测量电机实际速度 ... 96 16.6 步进/方向模式下的 DCSTEP ................. 97 17. 紧急停止 ............................................. 100 18. 增量编码器 ABN 接口 ......................... 101 18.1 编码器时序 ........................................ 102 18.2 设置编码器以匹配电机分辨率 ........ 102 18.3 闭环 ................................................... 102 19. 直流电机或螺线管 ............................. 104 19.1 螺线管操作 ........................................ 104 20. 快速配置指南 ...................................... 105 10. 诊断和保护 ........................................... 73 21. 入门 ..................................................... 110 www.trinamic.com

TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08 / 2018-NOV-19) 21.1 初始化例程 ........................................ 110 22. 独立操作模式 ...................................... 111 23. 外部复位 ............................................. 113 24. 时钟振荡器和输入 .............................. 113 24.1 内部时钟 ............................................ 113 24.2 外部时钟 ............................................ 113 25. 最大电气参数 ...................................... 114 26. 电气特性 ............................................. 114 26.1 操作范围 ............................................ 114 26.2 直流特性和时序 ................................ 115 26.3 热特性 ................................................ 117 27. 布线考虑 ............................................. 119 27.1 芯片底部焊盘 .................................... 119 4 27.2 地的布线 ............................................ 119 27.3 桥臂电压的布线 ................................ 119 27.4 供电滤波 ............................................ 119 27.5 布线示例 ............................................ 120 28. 封装机械数据 ...................................... 122 28.1 TQFP48-EP 封装尺寸图 ..................... 122 28.2 QFN-WA 封装尺寸 ............................ 124 28.3 封装代码 ............................................ 125 29. 设计理念 ............................................. 126 30. 声明 ..................................................... 126 ESD 敏感 .............................................. 126 31. 32 图表 ..................................................... 127 33. 修订历史 ............................................. 128 34. 参考 ..................................................... 128 www.trinamic.com

TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08 / 2018-NOV-19) 1. 操作原则 5 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 的六点斜坡发生器自动使用 stealthChop, dcStep, 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 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 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 TMC 5160根据步进和方向信号控制电机。microPlyer自动平滑运动。不需要CPU；配置由硬件引脚完成。静止保持电流控制由TMC 5160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 P E T S L F E R / I R D R/ F E R O P C I P C P C V S V E D O M _ D S E D O M _ I P S N CI D _ A C N E N E C D _ B C N E O C D _ N C N E N N E _ V R D E D O M _ T S T A D N G D D N G D A P E D I 图1.1 TMC 5160基本应用框图(运动控制器) www.trinamic.com

TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08 / 2018-NOV-19) 6 P E T S R D I O P C I P C P C V S V E D O M _ D S E D O M _ I P S N CI D N E C D O C D N N E _ V R D E D O M _ T S T A D N G D D N G D A P E D I 图1.2 TMC5160 步进/方向模式应用框图 P E T S R D I O P C PI C P C V S V E D O M _ D S E D O M _ PI S N N E _ V R D E D O M _ T S T A D N G D D N G D A P E D I 图1.3 TMC5160 独立模式驱动器应用框图 1.1 关键概念 TMC 5160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) 7 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 spreadCycle™ dcStep™ stallGuard2™ coolStep™ microPlyer™ 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。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。负载相关速度控制。电机尽可能快地移动，不失步无传感器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，以较低分辨率步长输入获得全 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，以增强安全性和故障恢复。 1.2 控制接口 TMC 5160支持SPI接口和带有CRC校验的UART单线接口。此外还支持为无需寄存器配置的独立STEP / DIR模式。配置引脚SPI _ MODE和SD _ MODE到相应的高电平或者地选择接口。 1.2.1 SPI 接口 SPI 接口是与总线时钟同步的串行位接口。当 SPI 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。SPI 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。每个完整电机运动过程通常是由多条命令构成。 1.2.2 UART 接口 UART驱动。不需要波特率配置。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 1.3 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。如果只写寄存器需要读-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) 1.4 运动和控制电机 1.4.1 集成运动控制器 8 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。最小运动配置数据包含加速和减速值以及最大运动速度。支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 - 有效地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 1.4.2 STEP/DIR 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缘，由模式位( dedge )控制。使用两个边缘将步进信号的触发速率降低一半，对慢速通信接口(如光耦隔离接口)非常有用。在每个活动边上，DIR 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。DIR 引脚上电平为低的步进（STEP）脉冲增加了微步计数器数值，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 1.5 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。图 1.1 电机自动降电流 1.6 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。 www.trinamic.com

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