基于TMC2660驅(qū)動(dòng)芯片的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，在各種設(shè)備中經(jīng)常會(huì)遇到，而步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)則是使用步進(jìn)電機(jī)必不可少的部分，可以有多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，在這里我們來(lái)考慮一下基于TMC2660驅(qū)動(dòng)芯片的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1 、功能概述

TMC2660是德國(guó)TRINAMIC公司產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。TMC2660驅(qū)動(dòng)器提供了業(yè)界領(lǐng)先的功能集，包括高分辨率微步、無(wú)傳感器機(jī)械負(fù)載測(cè)量、負(fù)載自適應(yīng)功率優(yōu)化和低共振斬波操作。擁有標(biāo)準(zhǔn)SPI和STEP/DIR兩種接口模式。集成功率MOSFET處理電機(jī)電流高達(dá)2.2A。集成的保護(hù)和診斷功能支持穩(wěn)健和可靠的運(yùn)行。其結(jié)構(gòu)圖如下：

TMC2660的參數(shù)配置通過(guò)SPI接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。TMC2660具有5個(gè)配置和控制寄存器，通過(guò)SPI端口來(lái)訪問(wèn)這些寄存器。這些寄存器的結(jié)構(gòu)定義如下所示：

所有的寄存器都是20位，在最高的2位或3位表示的是寄存器地址也稱為操作碼。根據(jù)具體的寄存器我們選擇不同的操作碼實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器的寫操作。每一個(gè)寫操作都會(huì)有一個(gè)20位的數(shù)據(jù)返回。而返回?cái)?shù)據(jù)的內(nèi)容可以通過(guò)修改配置寄存器來(lái)定義。具體的格式如下圖所示：

2 、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)于實(shí)現(xiàn)

我們已經(jīng)了解了TMC2660步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的基本技術(shù)參數(shù)，接下來(lái)我們就需要據(jù)此來(lái)實(shí)現(xiàn)TMC2660步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2.1 、對(duì)象定義

我們依然是居于對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的操作。所以我們首先要定義對(duì)象，出于適用性考慮，我們要定義對(duì)象的類型并將具體的對(duì)象實(shí)例化，接下來(lái)我們就來(lái)抽象對(duì)象類型和實(shí)例化對(duì)象的操作。

2.1.1 、對(duì)象的抽象

對(duì)于一個(gè)對(duì)象最主要包括屬性與操作兩方面內(nèi)容，所以我們先來(lái)考慮TMC2660對(duì)象具有哪些屬性和操作，并抽象出較為通用的TMC2660對(duì)象類型。

對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)都具有哪些屬性呢？我們考慮到一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)至少具備啟停控制命令、方向控制命令、速度設(shè)定以及運(yùn)行狀態(tài)等，這些對(duì)于每一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，在不同的設(shè)置下代表不同的狀態(tài)，所以我們將其作為其屬性來(lái)處理。此外，與具體的電機(jī)相關(guān)的參數(shù)如固有步距角、微步設(shè)置及當(dāng)前脈沖頻率等。以及與TMC2660相關(guān)的狀態(tài)、寄存器的值、速度規(guī)劃等都與具體的應(yīng)用需求相關(guān)、用以記錄其運(yùn)行和配置狀態(tài)，所以我們將其作為屬性。

然后再來(lái)看一看TMC2660對(duì)象需要實(shí)現(xiàn)的操作。對(duì)于TMC2660對(duì)象來(lái)說(shuō)，我們要操作它，需要向其發(fā)送和讀取數(shù)據(jù)，需要操作片選信號(hào)和使能信號(hào)，而這些行為依賴于具體的操作平臺(tái)，所以我們將其作為對(duì)象的操作來(lái)設(shè)定。TMC2660可以工作在SPI模式或者SD模式，而在SD模式時(shí)，存在脈沖和方向的控制，這同樣依賴于具體的軟硬件操作平臺(tái)，所以我們也將其作為對(duì)象的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。更具以上的分析我們可以抽象出TMC2660對(duì)象類型如下：

/*定義TMC2660對(duì)象類型*/
typedef struct TMC2660Object {
    float microStep;//微步設(shè)置
    float stepAngle;//固有步進(jìn)角
    float frequency;    //運(yùn)行頻率
    uint16_t *pStartStop;   //啟停操作命令
    uint16_t *pDirection;   //方向控制
    uint16_t *pRotateSet;   //轉(zhuǎn)速設(shè)定
    uint16_t *pMotorState;  //電機(jī)狀態(tài)
   
    uint32_t status;        //TMC通訊返回狀態(tài)
    uint32_t Register[5];    //寄存器
    void (*WriteRead)(uint8_t*wData,uint16_t wSize,uint8_t *rData,uint16_t rSize);
    void(*ChipSelcet)(TMC2660CSType cs);   //片選信號(hào)
    void(*StartStop)(TMC2660SSType ss);    //啟停操作函數(shù)
    void(*Direct)(TMC2660DIRType dir);     //方向操作函數(shù)
    void(*Enable)(TMC2660ENNType enn);     //使能操作函數(shù)
 
    CurveObjectType curve;          //電機(jī)調(diào)速曲線
}TMC2660ObjectType;

2.1.2 、對(duì)象初始化

我們定義了對(duì)象類型，可以實(shí)現(xiàn)基于對(duì)象的操作，但定義的對(duì)象變量需要進(jìn)行初始化才能讓不同的對(duì)象按照我們的配置的方式去運(yùn)行。所以在開始對(duì)象的使用之前我們先對(duì)其進(jìn)行初始化，具體的初始化函數(shù)如下：

/*初始化TMC2660對(duì)象*/
void Tmc2660Initialization(TMC2660ObjectType*tmc,       //待初始化的TMC對(duì)象變量
                       TMC2660SdoffType interface,      //驅(qū)動(dòng)接口類型
                       TMC2660MicroStepTypemicroStep,  //微步設(shè)置
                       uint16_t Power,                  //電流量程
                       uint16_t stepAngle,                 //固有步進(jìn)角
                       uint16_t*pStartStop,            //啟停操作命令
                       uint16_t*pDirection,            //方向控制
                       uint16_t*pRotateSet,            //轉(zhuǎn)速設(shè)定
                       uint16_t *pMotorState,           //電機(jī)狀態(tài)
                       TMC2660WriteReadTypewriteRead,  //讀寫函數(shù)指針
                       TMC2660ChipSelcetTypecs,        //片選操作函數(shù)指針
                       TMC2660StartStopTypestartStop,  //啟停操作函數(shù)指針
                       TMC2660DirectTypedirect,        //方向設(shè)置函數(shù)指針
                       TMC2660EnableTypeenable         //使能控制函數(shù)指針
                       )
{
   uint32_t MicroStep[9]={0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x02,0x01,0x00};
   uint16_t MicroStepNum[9]={1,2,4,8,16,32,64,128,256};
   
   if((tmc==NULL)||(writeRead==NULL)||(cs==NULL)||(enable==NULL))
    {
       return;
    }
   
   tmc->WriteRead=writeRead;
   tmc->ChipSelcet=cs;
   tmc->StartStop=startStop;
   tmc->Direct=direct;
   tmc->Enable=enable;
   
   tmc->pStartStop=pStartStop;
   tmc->pDirection=pDirection;
   tmc->pRotateSet=pRotateSet;
   tmc->pMotorState=pMotorState;
   
   tmc->microStep=MicroStepNum[microStep];
   tmc->stepAngle=(float)stepAngle/10.0;
   
   tmc->curve.stepSpeed=0.02;
   tmc->curve.currentSpeed=0;
   tmc->curve.startSpeed=0;
   tmc->curve.speedMax=300;
   tmc->curve.speedMin=1.0;
   tmc->curve.curveMode=CURVE_SPTA;
   tmc->curve.flexible=10.0;
 
   tmc->Register[Reg_DRVCTRL]=DRVCTRL;
   tmc->Register[Reg_CHOPCONF]=CHOPCONF;
   tmc->Register[Reg_SMARTEN]=SMARTEN;
   tmc->Register[Reg_SGCSCONF]=SGCSCONF;
   tmc->Register[Reg_DRVCONF]=DRVCONF;
   
   tmc->Register[Reg_CHOPCONF]=tmc->Register[Reg_CHOPCONF]|0x1B1;
   tmc->Register[Reg_SMARTEN]=tmc->Register[Reg_SMARTEN]|0x202;
   tmc->Register[Reg_SGCSCONF]=tmc->Register[Reg_SGCSCONF]|0x10000;
   
   WriteReadTmc2660Register(tmc,Reg_CHOPCONF);
   WriteReadTmc2660Register(tmc,Reg_SGCSCONF);
   
   if(interface==TMC2660_SPI)
   {
       tmc->Register[Reg_DRVCONF]=tmc->Register[Reg_DRVCONF]|0xA190;
       WriteReadTmc2660Register(tmc,Reg_DRVCONF);
    }
    else
    {
       tmc->Register[Reg_DRVCONF]=tmc->Register[Reg_DRVCONF]|0xA140;
       WriteReadTmc2660Register(tmc,Reg_DRVCONF);
       
       tmc->Register[Reg_DRVCTRL]=tmc->Register[Reg_DRVCTRL]|0x100|MicroStep[microStep];
       WriteReadTmc2660Register(tmc,Reg_DRVCTRL);
    }
   
   WriteReadTmc2660Register(tmc,Reg_SMARTEN);
   
   SetMotorPower(tmc,Power);
}

2.2 、對(duì)象操作

接下來(lái)我們考慮對(duì)TMC2660進(jìn)行的操作問(wèn)題。我們已經(jīng)知道TMC2660擁有5個(gè)寄存器，而對(duì)TMC2660的各種配置都是通過(guò)這5個(gè)寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。即使使用SD模式來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)也是通過(guò)寄存器配置才能實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)TMC2660基本的操作則是讀寫TMC2660寄存器。至于SD模式下，輸入脈沖和方向信號(hào)依賴于具體平臺(tái)，我們已將其定義為對(duì)象的回調(diào)函數(shù)。

/*讀寫寄存器*/
static voidWriteReadTmc2660Register(TMC2660ObjectType *tmc,TMC2660RegType reg)
{
    uint8_t wData[3];
    uint8_t rData[3];
    uint32_t status=0;
    uint32_t regValue;
   
    tmc->ChipSelcet(TMC2660CS_Enable);
   
   regValue=tmc->Register[reg]&0xFFFFF;
   wData[0]=(uint8_t)(regValue>>16);
   wData[1]=(uint8_t)(regValue>>8);
   wData[2]=(uint8_t)regValue;
   
   tmc->WriteRead(wData,3,rData,3);
   
   status=rData[0];
   status=(status<<8)+rData[1];
   status=(status<<8)+rData[2];
   
   tmc->status= status;
   
   tmc->ChipSelcet(TMC2660CS_Disable);
}

3 、驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用

我們已經(jīng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了TMC2660步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)程序，接下來(lái)我們實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)例來(lái)驗(yàn)證這一驅(qū)動(dòng)設(shè)定是否符合要求。

3.1 、聲明并初始化對(duì)象

在開始一切操作之前，首先我們需要一個(gè)對(duì)象。前面的設(shè)計(jì)中，我們已經(jīng)定義了一個(gè)TMC2660對(duì)象類型，所以我們使用它定義一個(gè)對(duì)象變量。

TMC2660ObjectType tmc;

定義了tmc對(duì)象變量之后，還沒有辦法使用，因?yàn)槲覀冃枰獙?duì)其進(jìn)行初始化。前面我們已經(jīng)設(shè)計(jì)了對(duì)象初始化函數(shù)，我們需要使用它來(lái)初始化tmc對(duì)象變量。初始化函數(shù)需要如下參數(shù)：

TMC2660ObjectType *tmc, //待初始化的TMC對(duì)象變量

TMC2660SdoffType interface, //驅(qū)動(dòng)接口類型

TMC2660MicroStepType microStep, //微步設(shè)置

uint16_t Power, //電流量程

uint16_t stepAngle, //固有步進(jìn)角

uint16_t *pStartStop, //啟停操作命令

uint16_t *pDirection, //方向控制

uint16_t *pRotateSet, //轉(zhuǎn)速設(shè)定

uint16_t *pMotorState, //電機(jī)狀態(tài)

TMC2660WriteReadType writeRead, //讀寫函數(shù)指針

TMC2660ChipSelcetType cs, //片選操作函數(shù)指針

TMC2660StartStopType startStop, //啟停操作函數(shù)指針

TMC2660DirectType direct, //方向設(shè)置函數(shù)指針

TMC2660EnableType enable //使能控制函數(shù)指針

在這些參數(shù)中，操作變量將具體的變量指針傳入即可，而其它參數(shù)如接口類型，步距角等則根據(jù)具體的應(yīng)用情況輸入即可。需要注意的是，5歌操作函數(shù)指針，其函數(shù)原型定義如下：

typedef void (*TMC2660WriteReadType)(uint8_t*wData,uint16_t wSize,uint8_t *rData,uint16_t rSize);
typedef void(*TMC2660ChipSelcetType)(TMC2660CSType cs);    //片選信號(hào)
typedef void(*TMC2660StartStopType)(TMC2660SSType ss);        //啟停操作函數(shù)
typedef void (*TMC2660DirectType)(TMC2660DIRTypedir);     //方向操作函數(shù)
typedef void (*TMC2660EnableType)(TMC2660ENNTypeenn);     //使能操作函數(shù)

這些操作函數(shù)依賴于具體的操作平臺(tái)，我們采用的是已于STM32F103CBT6和HAL庫(kù)函數(shù)的操作平臺(tái)，所以根據(jù)函數(shù)原型定義來(lái)收集這些函數(shù)如下：

/*TMC2660片選操作函數(shù)*/
static void TMC2660ChipSelcet(TMC2660CSType cs)
{
   if(cs==TMC2660CS_Enable)
    {
       TMC_CSN_ENABLE();
    }
    else
    {
       TMC_CSN_DISABLE();
    }
}
 
/*啟停操作函數(shù)*/
static void MotorStartStop(TMC2660SSType ss)
{
   if(ss==TMC2660SS_Start)
    {
       if(HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3) != HAL_OK)
        {
        }
    }
    else
    {
       if(HAL_TIM_PWM_Stop(&htim1, TIM_CHANNEL_3) != HAL_OK)
        {
        }
    }
}
 
/*方向操作函數(shù)*/
static void MotorDirect(TMC2660DIRType dir)
{
   if(dir==TMC2660DIR_CCW)
    {
       TMC_DIR_DISABLE();
    }
    else
    {
       TMC_DIR_ENABLE();
    }
}
 
/*使能操作函數(shù)*/
static void TMC2660Enable(TMC2660ENNType enn)
{
   if(enn==TMC2660ENN_Enable)
    {
       TMC_ENN_ENABLE();
    }
    else
    {
       TMC_ENN_DISABLE();
    }
}
 
/*通過(guò)SPI2端口讀寫數(shù)據(jù)*/
static void WriteReadBySPI2(uint8_t*wData,uint16_t wSize,uint8_t *rData,uint16_t rSize)
{
   HAL_SPI_TransmitReceive (&hspi2, wData, rData, wSize, 1000);
}

至此，我們已經(jīng)明白了初始化函數(shù)所需要的全部參數(shù)，我們可以使用改初始換函數(shù)初始化tmc對(duì)象變量如下：

/*初始化TMC2660對(duì)象*/
   Tmc2660Initialization(&tmc,
                         TMC2660_SD,
                         MicroStep_256,
                         aPara.phyPara.sm42PowerRange,
                         aPara.phyPara.sm42StepAngle,
                         &aPara.phyPara.sm42StartStop,
                         &aPara.phyPara.sm42Direction,
                         &aPara.phyPara.sm42RotateSet,
                         &aPara.phyPara.sm42RunStatus,
                         WriteReadBySPI2,
                         TMC2660ChipSelcet,
                         MotorStartStop,
                         MotorDirect,
                         TMC2660Enable
                         );

3.2 、基于對(duì)象進(jìn)行操作

初始化之后，我們就可以使用該對(duì)象來(lái)事項(xiàng)我們想要的操作了。我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用函數(shù)調(diào)用相關(guān)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)操作，并判斷速度的設(shè)定是否改變來(lái)決定是否調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行速度。

/* 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制處理函數(shù) */
void SM42Tmc2660Driver(void)
{
    float temp=0;
       
   if(aPara.phyPara.sm42RotateSet<=0)
    {
       //return;
     aPara.phyPara.sm42StartStop=0;
    }
   
   Tmc2660ControlBySD(&tmc);
   
   SpeedSet(tmc.frequency);
   
    //計(jì)算轉(zhuǎn)速
   temp=tmc.frequency*((float)aPara.phyPara.sm42StepAngle);
   temp=temp/((float)aPara.phyPara.sm42MicroStep);
   aPara.phyPara.sm42RotateSpeed=(uint16_t)(temp*100/30.0);
}
 
/* 速度調(diào)整函數(shù) */
static void SpeedSet(float freq)
{
   uint16_t period=0;
   float temp=24000000;
   
   if(freq>0)
    {
       temp=temp/freq;
       period=(uint16_t)temp;
       
       if((2<=period)&&(period<65535))
        {
           __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim1,period-1);
           __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1,TIM_CHANNEL_3,period/2-1);
        }
    }
    else
    {
       __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim1,0);
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1,TIM_CHANNEL_3,0);
    }
}

4 、應(yīng)用總結(jié)

在本篇中，我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了TMC2660的驅(qū)動(dòng)程序，并基于驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)了一個(gè)驗(yàn)證程序，測(cè)試結(jié)果良好。事實(shí)上，該驅(qū)動(dòng)已經(jīng)使用到我們的多個(gè)項(xiàng)目之中，運(yùn)行效果目前還是不錯(cuò)的。

在使用驅(qū)動(dòng)程序時(shí)需要注意，片選信號(hào)并非必須實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橛行r(shí)候我們可能需要在硬件上直接將其選中，此時(shí)添加片選操作函數(shù)是沒有什么意義的，我們可以在初始化時(shí)傳入NULL來(lái)完成。

在配置TMC2660的寄存器時(shí)，一定要仔細(xì)根據(jù)自己的應(yīng)用需求來(lái)配置，如電流保護(hù)、波形輸出等這些參數(shù)的配置對(duì)力矩以及電機(jī)的運(yùn)行噪聲有很大關(guān)系，所以需要特別注意。