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本設(shè)計(jì)通過對(duì)上述開發(fā)板進(jìn)行功能裁剪以及完善應(yīng)用于具體場(chǎng)景中。
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??https://github.com/NonnettaWu/TMC5160_MotorController
前言
一、混合式步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)按照結(jié)構(gòu)形式可分為永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM 型)、混合式步進(jìn)電機(jī)(HB型)和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(VR 型)。永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和體積較小、成本較低、分辨率較低、步距角較大一般在 7.5°～15°，適合應(yīng)用在負(fù)載較小、精度較低的控制系統(tǒng)中。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩較大，但噪聲和振動(dòng)過大?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)綜合了永磁式和反應(yīng)式電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，具有分辨率高、轉(zhuǎn)矩較大和調(diào)速平滑的特點(diǎn)，適合應(yīng)用在高精度的機(jī)電伺服控制系統(tǒng)中，是目前應(yīng)用最廣泛的步進(jìn)電機(jī)[1]。
混合式雙相四線步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示(圖片來源于bilibili:《詳解步進(jìn)電機(jī)類型結(jié)構(gòu)與原理，我這個(gè)小白都看明白了》)，混合式步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。常見的定子有8個(gè)極，極面上均勻分布一定數(shù)量的小齒，其轉(zhuǎn)子也由圓周上均勻分布的一定數(shù)量小齒的兩塊齒片組成，兩塊齒片相互錯(cuò)開一個(gè)齒距。一般定子齒數(shù)為48個(gè)，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50 * 2個(gè)。
二、TMC5160
TMC5160是帶串行通信接口的高功率步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)芯片，將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)定位的靈活斜坡發(fā)生器和業(yè)界最先進(jìn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器結(jié)合在一起。通過外置外部晶體管 ，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài) 、高扭矩電機(jī)驅(qū)動(dòng) 。TRINAMICs 先 進(jìn) 的spreadCycle 和stealthChop斬波器，驅(qū)動(dòng)器可絕對(duì)無噪音的運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)最大效率和最佳電機(jī)扭矩控制。高集成度、高能效和小外形尺寸使系統(tǒng)小型化和性能可擴(kuò)展可行，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。完整的解決方案在實(shí)現(xiàn)高性能基礎(chǔ)上將學(xué)習(xí)時(shí)間減小到最小[2]。TMC5160實(shí)物(TQFP48以及QFN)如下圖所示。(圖片來源于TMC5160Datasheet.Page1)
TMC5160結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。(圖片來源于TMC5160Datasheet.Page1)TMC5160 運(yùn)動(dòng)控制和驅(qū)動(dòng)芯片是 CPU和大功率步進(jìn)電機(jī)之間的智能功率接口器件。所有步進(jìn)電機(jī)邏輯完全在 TMC5160內(nèi),不需要軟件來控制電機(jī)——只需提供目標(biāo)位置。TMC5160提供了許多獨(dú)特的增強(qiáng)功能，這些功能通過集成的控制驅(qū)動(dòng)器得以實(shí)現(xiàn)。
TMC 5160提供三種基本操作模式:
模式 1: 全功能運(yùn)動(dòng)控制和驅(qū)動(dòng)器
所有步進(jìn)電機(jī)邏輯完全在 TMC5160內(nèi)。不需要軟件來控制電機(jī)——只需提供目標(biāo)位置。SD_ MODE接地使能此模式。
模式 2: 脈沖和方向驅(qū)動(dòng)器
外部高性能運(yùn)動(dòng)控制器或MCU產(chǎn)生與系統(tǒng)內(nèi)其他部件（如電機(jī)）同步的脈沖和方向信號(hào)。TMC5160控制電流和運(yùn)動(dòng)模式，并反饋電機(jī)狀態(tài)。microPlyer自動(dòng)平滑運(yùn)動(dòng)。SD _ MODE接高電平使能此模式。
模式 3: 簡(jiǎn)單的步進(jìn)和方向驅(qū)動(dòng)器
TMC 5160根據(jù)步進(jìn)和方向信號(hào)控制電機(jī)。SPI_MODE接地，SD_MOD接高電平使能此模式。[2]
三、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
硬件電路設(shè)計(jì)參考“三三智控”產(chǎn)品提供PCB資料以及TMC5160官方提供的參考手冊(cè)“三三智控”產(chǎn)品PCB資料將同步上傳至Github倉庫
3.1 硬件總體架構(gòu)
各功能模塊詳細(xì)信息如下：[3]
MCU模塊：STM32F103C8T6；
電源模塊：24V電機(jī)供電、5V穩(wěn)壓電路、3.3V元器件供電；
通訊模塊：USB通訊；
電機(jī)控制模塊：通過SPI配置TMC5160按照設(shè)定的目標(biāo)位置和目標(biāo)速度自動(dòng)運(yùn)行各種實(shí)時(shí)關(guān)鍵任務(wù);
存儲(chǔ)模塊：AT24C256存儲(chǔ)配置信息；
磁編碼模塊：TLE5012B監(jiān)測(cè)電機(jī)位置；
步進(jìn)電機(jī)：混合式雙相四線步進(jìn)電機(jī)。(實(shí)驗(yàn)選用正點(diǎn)原子店鋪電機(jī)）
3.2 MCU模塊
MCU選用STM32F103C8T6，詳細(xì)開發(fā)請(qǐng)參考數(shù)據(jù)手冊(cè)。
網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽說明[4]：
IFA、IFB、IFC：磁編碼模塊；
SPI1_NSS、SPI1_CLK、SPI1_MISO、SPI1_MOSI：SPI1；
TXD、RXD：USB通訊；
JTMS、JTCK：SWD下載；
OSC_IN、OSC_OUT：外部時(shí)鐘源；
NRST：復(fù)位；
M_EN：使能TMC5160控制電機(jī)；
PB8、PB9：EEPROM存儲(chǔ)；
SPI2_NSS、SPI2_CLK、SPI2_MISO、SPI2_MOSI：SPI2；
3.3 電源模塊
7805：24V - 5V
AMS1117 5V - 3.3V
3.4 通訊模塊
USB通訊模塊參考野火霸道開發(fā)板，開發(fā)板PCB原理圖已上傳Github倉庫。[5]
3.5 TMC5160模塊
TMC5060模塊參考三三智控開發(fā)板，開發(fā)板PCB原理圖已上傳Github倉庫。[3]
H橋參考三三智控開發(fā)板，開發(fā)板PCB原理圖已上傳Github倉庫。[3]
3.6 存儲(chǔ)模塊
AT24C256存儲(chǔ)模塊參考野火霸道開發(fā)板，開發(fā)板PCB原理圖已上傳Github倉庫。[5]
3.7 磁編碼模塊
TMC5060模塊參考三三智控開發(fā)板，開發(fā)板PCB原理圖已上傳Github倉庫。[3]
四、參考資料
[1]余馳,李健仁,張剛峰.兩相混合式步進(jìn)電機(jī)建模與仿真[J].兵工自動(dòng)化,2016,35(02):48-51+55.
[2]TMC5160_Datasheet.
[3]三三智控開發(fā)板_STM32F103_TMC5160_20A原理圖
[4]STM32F103C6_Datasheet
[5]野火_F103霸道_原理圖_V2.0
五、其他
三三智控開發(fā)板實(shí)物
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到了這里，關(guān)于混合式步進(jìn)電機(jī)控制器開源系列（一）PCB原理圖設(shè)計(jì)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
