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1步进电机简介

步进电机是唯一将电脉冲信号转换成量程的机电执行机构。每当一个脉冲信号加到电机的控制绕组上，电机的转轴就以一个固定的角度(步距角)旋转，并顺序发出脉冲，使电机轴步进运行。

1.1步进电机结构

步进电机主要由转子和定子组成。其结构如图1.1.1所示:

图1.1.1电机结构示意图

1.2步进电机的基本参数

(1)相数:产生不同对极N、S磁场的励磁线圈数量。常用m。

(2)拍数:完成一个磁场或导电状态的周期性变化所需的脉冲数用N表示，或电机转过一个桨距角所需的脉冲数。

(3)步距角:对应一个脉冲信号，电机转子的角位移用θ表示。θ=360度/(转子齿数J*运转节拍数)。以常规的具有50个转子齿的两相或四相电机为例。四拍跑时步角θ=360度/(50*4)=1.8度(俗称全音步)，八拍跑时θ=360度/(50*8)=0.9度(俗称半音步)。

(4)定位转矩:电机不通电时，电机转子本身的锁紧转矩(由磁场齿廓的谐波和机械误差引起)静态转矩:电机在额定静电下不转动时电机轴的锁紧转矩。这个扭矩是衡量电机体积(几何尺寸)的标准，与驱动电压和电源无关。虽然静转矩与电磁励磁的安匝数成正比，与定转子气隙有关，但过分减小气隙和增加励磁安匝数来增加静转矩是不可取的，这样会引起电机发热和机械噪声。

2 TMC5130硬件连接

TMC5130的电路图如图2.1所示。与单片机TMC5130的通信方式为SPI。

图2.1 TMC 5130的电路图

3 TMC5130各模块描述和配置

本设计中使用的TMC5130晶体振荡器频率为16MHz，电阻为100mΩ。本设计中的所有计算都基于图3.1中的电机参数。

图3.1电机参数示例

3.1偷拍

StealthChop是步进电机的一种非常安静的电机运行模式。基于电压模式PWM的脉宽调制技术，主要是让电机在低速和静止时几乎静音。

3.1.1目前的两种管理模式

有两种模式:电流反馈自动模式(pwm_autoscale = 1)和速度前馈控制模式(pwm_autoscale = 0)。一般选择前者。PWM的频率需要在这里设置。一般频率应该是30-50kHz。由于本电路中芯片的晶振频率为16MHz，如表3-1所示，如果PWM频率为46.9kHz，则寄存器PWMCONF(0x70)的位16和位17的pwm_freq0和pwm_freq1设置为01。

表3-1

表3-2

寄存器名

寄存器地址

位名

数字容量

给定值

一个

PWMCONF

0x70

pwm_freq0

16

0

2

pwm_freq1

17

一个

三

pwm _自动量程

18

一个

自动缩放

驱动器测量斩波电流，并使用比例调节器来管理PWM_SCALE，以便调整电机电流来实现目标电流。PWM_GRAD是该调节器的比例系数。由于电机电源电压和电机温度往往变化缓慢，PWM_GRAD被设置为最小值1。

在自动电流调节模式下(pwm_autoscale = 1)，PWM_GRAD设置应针对所需的最快加速斜坡进行优化。使用电流探针检查(快速)加速期间的电机电流。设置为1可能会导致调节太慢，而设置为15会对速度变化做出快速响应，但可能会导致某些星座的调节不稳定。一般设置为4。

表3-3

3.1.3 Velocity Based Scaling

3.1.4隐形斩与展平循环相结合

对于需要高速运动的应用，spreadCycle在高速下更加稳定。为了将无噪声与最高动态性能结合起来，可以设置一个速度阈值，将spreadCycle与stealthChop结合起来(图3.2)。StealthChop只在这个速度阈值以下有效。

3.2采样电阻的选择

3.3 stallGuard2负载检测

图3.3.1蒸汽发生器变化图

如图3.3.1所示，当负荷增加时，SGT值减小。SG值应基于具体的系统测试结果。

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register XACTUAL，其单位是usteps，即1个微步。如果XACTUAL设置为10000，则意味着发送10000个脉冲，电机运行10000个微步。

3.4.2 速度说明

3.4.3 加速度说明

3.5 编码器

TMC5130的编码器是增量式编码器接口，如图3.5.1所示。

图3.5.1

本设计中使用的编码器接口如图3.5.2所示(接口为DB15 male)。

图3.5.2编码器界面

编码器连接图如图3.5.3所示。A+、B+为正交信号，N为信号清零。(A-，B-，E信号暂时没用)

图3.5.3编码器连接示意图

输入滤波将最大连续计数频率限制在fCLK的2/3。由于本设计中fCLK = 16MHz，最大连续计数频率约为10.7MHz

表3.5-1

光栅尺间距

20um

光栅标度分辨率

0.1微米

编码器分辨率

0.1微米

编码器可以检测到的最高速度。

0.25米/秒

编码器时钟

4兆赫

编码器接口为Ri接口，编号为RI0200A04B，编号含义如图3.5.4所示。

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

3.6问题总结

(1)左右限位开关的停止

调试期间有一个问题:

首先，当右参考开关启用时，电机停止；其次，输入有效电平，但电机不停止。

问题的原因:

右参考开关使能有效，电机停止后，电机向右运行时，只有检测到有效电平，电机才会停止；如果此时电机向左运行，即使检测到有效液位，电机也不会停止。

解决方法:

将TMC5130的寄存器0x34的位4设为高电平，即交换左右参考开关输入REFL和REFR。

(2)电机不能在位置模式下停止。

问题描述:

比如你驱动一个电机，在位置模式下把电机驱动到4433198的位置，你会把4433198的这些脉冲写入TMC5130_XTARGET(0x2D)寄存器，但是当你读TMC5130_XACTUAL(0x21)的时候，你会发现这个寄存器的值一直在4433198附近跳跃，直到电机停止读取。

问题的原因:

移动斜率设置不正确。通常，VSTART应该大于VSTOP，V1应该等于VMAX的一半左右。

(3)电机死机停机时，SGT较大的阈值会使电机无法死机停机，而降低阈值会使电机无法运行。

这个问题不好解决。