1步进电机简介

步进电机是一种将电脉冲信号转换程机械唯一的机电执行元件。每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），顺序连续的发给脉冲，则电机轴一步接一步的运转。

1.1步进电机结构

步进电机主要由转子和定子构成。结构如图1.1.1所示：

 

              图 1.1.1 电机结构示意图

1.2步进电机基本参数

（1）相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。

（2）拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数。

（3）步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度/（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

（4）定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的） 静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

2 TMC5130硬件连接

TMC5130的电路图如图2.1所示。单片机与TMC5130通讯方式为SPI。

 

图2.1 TMC5130电路图

3 TMC5130各模块说明及配置

本设计中所用TMC5130的晶振为16MHz,阻值为100mΩ。本设计的所有计算均以图3.1电机参数为例进行计算。

图 3.1 电机参数示例

3.1 stealthChop

stealthChop是对步进电机的一种非常安静的电机操作模式。基于电压模式PWM脉宽调制技术，主要是在低速和静止时使电机几乎静音。

3.1.1两种电流管理模式

两种模式为：电流反馈的自动模式（pwm_autoscale = 1）和速度前馈控制模式(pwm_autoscale = 0)。一般选用前者。在此需要设置PWM的频率。一般其频率应在30-50kHz。由于本电路中芯片选用的晶振频率为16MHz，由表3-1所示，若选择PWM频率为46.9kHz，因此寄存器PWMCONF（0x70）的16和17位的pwm_freq0和pwm_freq1设置为01。

表 3-1

表3-2

	寄存器名称	寄存器地址	位名称	位数	设置值
1	PWMCONF	0x70	pwm_freq0	16	0
2			pwm_freq1	17	1
3			pwm_autoscale	18	1

3.1.2  Automatic Scaling 

   驱动程序测量斩波电流并用比例调节器来管理PWM_SCALE以达到调节电机电流达到目标电流的目的。PWM_GRAD是该调节器的比例系数。由于电机供电电压和电机温度往往变化缓慢，因此PWM_GRAD设置为最小值1。

在自动电流调节模式（pwm_autoscale = 1）下，PWM_GRAD设置应针对所需的最快加速斜坡进行优化。 使用电流探头检查电机电流在（快速）加速期间。 设置为1可能会导致调节过慢，而设置为15会对速度变化产生快速响应，但可能会在某些星座中产生调节不稳定性。 一般设置为4。

表3-3

	寄存器名称	寄存器地址	位名称	位数	设置值
1	PWMCONF	0x70	PWM_GRAD	8 - 15	4

3.1.3 Velocity Based Scaling

3.1.4 stealthChop  和 spreadCycle相结合

对于需要高速运动的应用， spreadCycle在高速运行更稳定。为了将无噪音与最高的动态性能相结合，可以设置速度阈值将spreadCycle和stealthChop结合在一起(图3.2 )。 stealthChop只在低于这个速度阈值时有效。

图 3.1.4.1 切换到 spreadCycle 的速度阈值 TPWMTHRS

3.2 采样电阻选择

3.3 stallGuard2 负载检测

 

图3.3.1 SG变化图

如图3.3.1所示，当负载增大时，SGT值减小。SG值要根据具体系统测试所得。

3.4 TMC5130常用参数说明

图3.4.1 斜坡发生器运动寄存器

3.4.1 位置说明

如图3.4.1所示：对于寄存器XACTUAL，其单位为usteps，即1微步。若XACTUAL设置值为10000，其意义为发送10000个脉冲，电机运行10000微步。

3.4.2 速度说明

3.4.3 加速度说明

 

3.5 编码器

TMC5130的编码器为增量式编码器接口，如图3.5.1所示。

图3.5.1

本设计中所用的编码器接口如图3.5.2所示（接口为DB15公头）。

    图3.5.2编码器接口

编码器连接简图如图3.5.3所示，A+、B+为正交信号，N为信号清除。（A-、B-、E信号暂时没用）

图3.5.3编码器连接简图

最大连续计数频率受输入滤波限制为 fCLK 的 2 / 3，由于本设计中fCLK = 16MHz，所以最大连续计数频率约为10.7MHz。

表3.5-1

光栅尺栅距	20um
光栅尺分辨率	0.1um
编码器分辨率	0.1um
编码器可检测的最高速度	0.25m/s
编码器时钟	4MHz

编码器接口为Ri接口，编号为RI0200A04B，编号意义如图3.5.4所示。

编码器资料：https://wenku.baidu.com/view/d319ed795ef7ba0d4b733b25.html

 

3.6 问题汇总

（1）左右限位开关停止问题

调试过程出现问题：
使能右参考开关有效时电机停止后，当输入有效电平后，电机不停止。

问题原因：
使能右参考开关有效时电机停止后，只能电机向右运转时同时检测到有效电平，电机才会停止；若此时电机向左运转，即使检测到有效电平，电机也不会停止。

解决方法：
将TMC5130的寄存器0x34的bit4置高，即交换左右参考开关输入 REFL 和 REFR。

（2）位置模式下电机无法停止

问题描述：

比如驱动一个电机，在位置模式驱动电机到4433198这个位置，就是把4433198这些脉冲写入TMC5130_XTARGET（0x2D）寄存器，但当读取TMC5130_XACTUAL（0x21）时发现这个寄存器的值一直在4433198附近跳动，一直读不到电机停止。

问题原因：

运动斜坡设置有误。一般VSTART要大于VSTOP，V1要等于约一半VMAX。

（3）电机实现撞停时由于SGT阈值比较粗会使得电机在比较大的阈值下无法撞停，而减小了阈值会使电机无法运行。