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首页TMC5160智能步进电机驱动控制芯片
TMC5160智能步进电机驱动控制芯片
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更新于2023-03-16
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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
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资源推荐
POWER DRIVER FOR STEPPER MOTORS INTEGRATED CIRCUITS
TRINAMIC Motion Control GmbH & Co. KG
Hamburg, Germany
TMC5160 数据手册
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 9x9mm
2
TQFP48 package / 8x8mm² QFN
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。
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。
BLOCK DIAGRAM
Diff. Sensing
spreadCycle
stealthChop
MOTI ON CONTROLLER
with Linear 6 Point
RAMP Generator
MOSFET
Driver
TMC5160
Programmable
256 µStep
Sequencer
Protection
& Diagnostics
Ref. Sw itches
SPI
stallGuard2 coolStep dcStep
Pow er
Supply
Charge
Pump
ABN
Motor
Encoder Unit
Step/Dir
Step Multiplyer
spreadCycle
stealthChop
Reference Sw itch
Processing
I nterrupts
Position
Pulse Output
UART
Single Wire
SPI to
Master
UART
CLK
CLK
Oscillator / Selector
+V
M
R
SENSE
C
BOOT
C
BOOT
1 of 2 full bridges
shown
TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08 / 2018-NOV-19) 2
www.trinamic.com
应用示例:高压-多用途
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。
CPU
TMC5160
High-Level
I nterface
SPI
CPU
High-Level
I nterface
TMC5160
TMC5160
More TMC5160 or TMC5130 or TMC5072
SPI or
UART
MI NI ATURIZED DESI GN FOR ONE STEPPER MOTOR
COMPACT DESI GN FOR MULTI PLE STEPPER MOTORS
M
Encoder
Ref.
Sw itches
M
M
Addr.
Addr.
NCS signal for SPI
Chaining
with UART
订购代码
订购代码
描述
尺寸[平方毫米]
TMC5160-TA
需外加 MOSFET 的步进控制器/驱动器; TQFP48
9 x 9
TMC5160-WA
需外加 MOSFET 的步进控制器/驱动器; wett. QFN8x8
8 x 8
TMC5160-xx-T
-T 代表卷带包装 (xx= TA or WA)
TMC5160-EVAL
TMC5160 评估板
85 x 55
LANDUNGSBRÜ CKE
TMC 5160 - EVAL 和其它评估板的主控板
85 x 55
ESELSBRÜCKE
连接评估板系统的连接板.
61 x 38
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
TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08 / 2018-NOV-19) 3
www.trinamic.com
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
1.6 STEALTHCHOP2 & SPREADCYCLE 驱动 ........... 8
1.7 STALLGUARD2 – 机械负载传感 ................. 9
1.8 COOLSTEP –负载自适应电流控制 ........... 9
1.9 DCSTEP –负载相关速度控制 ................... 9
1.10 编码器接口 .......................................... 10
2. 引脚分配 ............................................... 11
2.1 封装外形 .............................................. 11
2.2 信号描述 .............................................. 12
3. 示例电路 ............................................... 15
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
4. SPI 接口 ................................................. 22
4.1 SPI 数据报结构 .................................... 22
4.2 SPI 信号 ................................................ 23
4.3 时序 ...................................................... 24
5. 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
6. 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
6.5 STEALTHCHOP 和 SPREADCYCLE 两者组合 .. 59
6.6 STEALTHCHOP 的标志位 .......................... 60
6.7 空转和被动制动 .................................. 61
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. 选择采样电阻........................................ 69
9. 基于速度的模式控制 ............................ 71
10. 诊断和保护 ........................................... 73
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
12.5 STALLGUARD2 操作局限性 ..................... 85
13. 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
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
15.1 脉冲/方向模式 .................................... 92
15.2 运动控制模式 ...................................... 92
16. 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
21. 入门 ..................................................... 110
TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08 / 2018-NOV-19) 4
www.trinamic.com
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
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
31. ESD 敏感 .............................................. 126
32 图表 ..................................................... 127
33. 修订历史 ............................................. 128
34. 参考 ..................................................... 128
TMC5160 DATASHEET (Rev. 1.08 / 2018-NOV-19) 5
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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
47R
47R
LS
VCC_IO
TMC5160
SPI interface
CSN
SCK
SDO
SDI
Ref. switch
processing
REFL/STEP
REFR/DIR
DIAG / INT out
and
Single w ire
interface
5V Voltage
regulator
charge pump
22n
100V
100n
16V
DI AG0/SWN
CLK_IN
DI AG1/SWP
+V
M
5VOUT
VSA
2.2µ
+V
I O
DRV_ENN
GNDD
GNDA
TST_MODE
DI E PAD
VCC
opt. ext. clock
12-16MHz
3.3V or 5V
I/O voltage
100n
100n
LS
stepper
motor
N
S
BMA2
100n
SRAH
C
E
2R2
470n
Encoder
unit
A B N
ENCB_DCEN
ENCA_DCIN
ENCN_DCO
Encoder input /
dcStep control in S/D
mode
SD_MODE
SPI_MODE
opt. driver enable
B.Dwersteg, ©
TRINAMIC 2014
R
S
SRAL
LA1
LA2
HA1
HA2
BMA1
HS
HS
CA1
C
B
CA2
C
B
+V
M
LS
LS
BMB2
SRBH
R
S
SRBL
LB1
LB2
HB1
HB2
BMB1
HS
HS
CB1
C
B
CB2
C
B
+V
M
Both GND: UART mode
CPI
CPO
VCP
VS
11.5V Voltage
regulator
12VOUT
2.2µ
mode selection
470n
470n
R
G
R
G
R
G
R
G
R
G
R
G
R
G
R
G
47R
47R
+V
I O
pd pd pd
+V
I O
Stepper driver
Protection
& diagnostics
spreadCycle &
stealthChop
Chopper
programmable
sine table
4*256 entry
stallGuard2™
coolStep™
x
linear 6 point
RAMP generator
Step &
Direction pulse
generation
Control register
set
Interface
dcStep™
coolStep
&
stealthChop
motor driver
B.Dw ersteg, ©
TRI NAMIC 2014
Motion control
图1.1 TMC 5160基本应用框图(运动控制器)
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