标签: TMC5160

在一些 自动控制领域 中，步进电机的使用仍占着相当大的比例，步进电机与驱动电路组成的开环数控系统， 因其简单的结构、低廉的价格和可靠的性能，目前已在很多行业中（ 工业自动化、医疗自动化、纺织自动化 等）广泛应用。 步进电机经常被用于 精确定位的场合 ，因而保证电机不发生失步至关重要。 如果在调试过程中会发现 步进电机丢步、堵转和定位不准现象 ，遇到这种情况不要着急， 更不要因此直接否定所选用 步进电机 ，一定要冷静观察分析出现该现象的原因，由此找出解决之道！ 步进电机的丢步及定位不准，一般由以下几方面原因引起： 1、 改变方向时丢脉冲，表现为往任何一个方向都准，但一改变方向就累计偏差，并且次数越多偏得越多； 2、 启动速度太高，加速度太大，引起丢步； 3、 在用同步带的场合软件补偿太多或太少； 4、 步进电动机本身的工作转矩不足，没有足够的能力来驱动负载； 5、 控制器受干扰引起误动作； 6、 驱动器受干扰引起； 7、 软件缺陷； 针对以上问题分析如下： 1）一般的 步进驱动器 对方向和脉冲信号都有一定的要求，如：方向信号在第一个脉冲上升沿或下降沿（不同的驱动器要求不一样）到来前数微秒被确定， 否则会有一个脉冲所运转的角度与实际需要的转向相反，最后故障现象表现为越走越偏，细分越小越明显，解决办法主要用软件改变发脉冲的逻辑或加延时。 2）由于步进电机特点决定初速度不能太高，尤其带的负载惯量较大情况下,建议初速度在1r/s以下， 这样冲击较小，同样加速度太大对系统冲击也大，容易过冲，导致定位不准;电机正转和反转之间应有一定的暂停时间,若没有就会因反向加速度太大引起过冲。 3）根据实际情况调整被偿参数值，（因为同步带弹性形变较大，所以改变方向时需加一定的补偿）。 4）适当地增大马达电流，提高驱动器电压（注意选配驱动器、驱动芯片）选扭矩大一些的马达。 5）系统的干扰引起控制器或驱动器的误动作，我们只能想办法找出干扰源， 降低其干扰能力（如屏蔽，加大间隔距离等），切断传播途径，提高自身的抗干扰能力， 常见措施： ①用双纹屏蔽线代替普通导线，系统中信号线与大电流或大电压变化导线分开布线，降低电磁干扰能力。 ②用电源滤波器把来自电网的干扰波滤掉，在条件许可下各大用电设备的输入端加电源滤波器，降低系统内各设备之间的干扰。 ③设备之间最好用光电隔离器件进行信号传送，在条件许可下，脉冲和方向信号最好用差分方式加光电隔离进行信号传送。 在感性负载（如电磁继电器、电磁阀）两端加阻容吸收或快速泄放电路，感性负载在开头瞬间能产生10~100倍的尖峰电压，如果工作频率在20KHZ以上。 6）软件做一些容错处理，把干扰带来影响消除。 同时还可能是以下原因： 原因一： 转子的加速度慢子步进电机的旋转磁场 ，即低于换相速度时，步进电机会产生丢步。 这是因为输入电机的电能不足，在步进电机中产生的同步力矩无法使转子速度跟随定子磁场的旋转速度，从而引起丢步。 解决方法： 　　①使步进电机本身产生的电磁转矩增大。因此可在额定电流范围内适当加大驱动电流;或者在高频范围转矩不足时，可适当提高驱动电路的驱动电压;也可以改用转矩大的步进电机等。 　　②使步进电机需要克服的转矩减小，因此可适当降低电动机运行频率，以便提高电机的输出转矩。 原因二： 步进电机及所带负载存在惯性 ，由于步进电机自身及所带负载存在惯性，使得电机在工作过程中不能立即起动和停止，而是在起动时出现丢步，在停止时发生越步。 解决方法： 　　通过一个加速和减速过程，即以较低的速度起动，而后逐渐加速到某一速度运行，再逐渐减速直至停止。 原因三：步进电动机产生共振 共振 也是引起丢步的一个原因 。步进电机处于连续运行状态时，如果控制脉冲的频率等于步进电机的固有频率，将产生共振。 　　解决方法： 　　一、适当减小步进电机的驱动电流; 　　二、采用细分驱动方法; 　　三、采用阻尼方法，包括机械阻尼法。 　　以上方法都能有效消除电机振荡，避免丢步现象发生。 那有没有一款步进驱动芯片可以内部集成算法来优化电机性能，防止丢步呢？ 针对步进电机丢步的问题，Trinamic推出的 TMC5160电机驱动芯片的DcStep功能可以有效防止电机丢步 。 TMC5160的DcStep功能介绍： DcStep 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，电机将不会堵转。除了在较低速度下增加扭矩之外，动态惯性将允许电机通过减速克服机械过载。 DcStep 直接与斜坡发生器集成，因此即使电机速度因机械负载增加而需要降低，也能达到目标位置。 DcStep 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，该功能进一步提高了整体系统效率。 DcStep 优势: 电机在过载情况下不会失步 应用程序可以更快的运行 自动实现最高的加速度 在速度极限下实现最高的能效 全步驱动达到最高电机扭矩 不仅如此，TMC5160还提供了一个 增量式编码器接口 。 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)。 可编程预分频器寄存器设置了编码器分辨率以适应电机分辨率。内部包含 32 位编码器计数器。 如果对位置要求非常高的应用，又怕步进电机丢步，那就建议上闭环步进了， 针对步进闭环应用，Trinamic推出了一款带S型加减速曲线的控制芯片--- TMC4361 ， 并支持 sixPoint 六点式斜坡，进行了高速优化，支持动态修改运动参数。 TMC4361A 包含 SPI 接口、Step/Dir 接口及闭环所需的编码器接口。 ​

内容主要来自TMC5160数据手册，个人的理解简单做下笔记： TMC5160做为驱动芯片，单片机作为控制器，控制一个或多个5160； 站在应用的角度去分析，不涉及过多电子方面； ​ 编辑 切换为居中 添加图片注释，不超过 140 字（可选） TMC5160是高功率步进电机控制器和驱动IC，有串行通信接口（SPI和UART）。 它结合用于与产业最先进的步进电机驱动器自动目标定位柔性斜坡发生器。使用外部晶体管，高动态，高转矩的驱动器得以实现。 基于Trinamic的复杂SpreadCycle™（高精度斩波算法）和StealthChop™技术，可以确保绝对无噪音的操作以最高的效率和最佳的电机扭矩相结合。 高集成度，高能源效率和小外形启用小型化和成本效益的解决方案可扩展的系统。完整的解决方案降低学习曲线降到最低，同时给予类最佳性能。 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（六点斜坡加减速/梯形加减速） 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 最高256 微步细分 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 1. 操作原则 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 ​ 编辑 切换为居中 添加图片注释，不超过 140 字（可选） 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。 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 ​ 编辑 切换为居中 添加图片注释，不超过 140 字（可选） 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； 深圳市卓联微科技 曹工-TMC电机驱动芯片-卓联微