控制驅(qū)動芯片TMC5160實現(xiàn)步進(jìn)電機的設(shè)計及應(yīng)用分析

隨著自動化設(shè)備機器人與工業(yè)驅(qū)動、工廠和自動化、高速 3D 打印機、辦公自動化、安防監(jiān)控等各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品更新迭代變得越來越快，市場對步進(jìn)電機的要求也趨于苛刻，不僅要求低噪聲、運行平穩(wěn)、高能效、高速度高扭矩，還要求具備小尺寸、低成本等特性。

對此，專注運動控制和驅(qū)動領(lǐng)域的半導(dǎo)體公司 Trinamic 推出了一款帶串行通信接口的高功率步進(jìn)電機控制驅(qū)動芯片TMC5160， 將實現(xiàn)自動目標(biāo)定位的靈活斜坡發(fā)生器和業(yè)界最先進(jìn)的步進(jìn)電機驅(qū)動器結(jié)合在一起。通過外置 MOSFET，實現(xiàn)高動態(tài)、高扭矩電機驅(qū)動。Trinamic 先進(jìn)的 spreadCycle 和 stealthChop 斬波器、驅(qū)動器，可以絕對無噪音地運行，并實現(xiàn)最大效率和最佳電機扭矩控制。TMC5160 的高集成度、高能效和小外形尺寸的特性，使系統(tǒng)小型化和性能可擴(kuò)展變得可行，從而讓經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案得以實現(xiàn)。完整的解決方案在實現(xiàn)高性能基礎(chǔ)上，能將學(xué)習(xí)時間盡可能縮短，加快產(chǎn)品上市時間。

圖 1：TMC5169 有兩種封裝、高集成、高能效

Trinamic 授權(quán)代理商——Excelpoint 世健公司的高級產(chǎn)品經(jīng)理葉虹介紹：“簡單易用和成本效益原則是 Trinamic 設(shè)計師在設(shè)計步進(jìn)電機驅(qū)控芯片時的指導(dǎo)方針。TMC5160 將強大的步進(jìn)電機驅(qū)動器和運動控制器集成在一塊芯片上，將數(shù)字信息直接轉(zhuǎn)換為平滑、精確、可靠的物理運動，被廣泛地用于機器人、工業(yè)驅(qū)動、紡織、縫紉機、包裝、工廠和實驗室自動化、高速 3D 打印機、液體處理、醫(yī)療、辦公自動化、視頻監(jiān)控、自動取款機和現(xiàn)金回收機等應(yīng)用中?！?/p>

應(yīng)用：高壓 - 多用途

TMC5160 具有完整的運動控制功能、強大的外部 MOSFET 驅(qū)動和高質(zhì)量的電流調(diào)節(jié)。它提供了多種用途，涵蓋了從電池供電的高效系統(tǒng)到 20 安培電機線圈電流的嵌入式應(yīng)用。TMC5160 包含驅(qū)動電機所需的全部功能，可配置為位置模式或速度模式，支持 TRINAMICs 獨有的 stallGuard2， coolStep， dcStep， spreadCycle 和 stealthChop 功能，優(yōu)化了驅(qū)動器性能，平衡了速度和電機扭矩，優(yōu)化能源效率、驅(qū)動平穩(wěn)且無噪音。TMC 5160 的集成度高、尺寸小、成本降低，可滿足小型化布板需求。芯片、控制板和軟件級別的廣泛支持，使競爭產(chǎn)品能夠縮短設(shè)計周期、快速上市。高能效和可靠性可簡化相關(guān)系統(tǒng)（如電源和冷卻系統(tǒng)）設(shè)計，并節(jié)約成本。TMC5130 提供 1.4A 的電機電流，適合功率較小的應(yīng)用，軟件與 TMC5160 兼容。

1. TMC5160 針對單個步進(jìn)電機的小型化設(shè)計

圖 2：TMC5160 針對單個步進(jìn)電機的小型化設(shè)計

TMC5160 ABN 編碼器接口和兩個參考開關(guān)輸入用于確保電機正確運動，編碼器有位置偏差時，可自動發(fā)出中斷。

2. TMC5160 驅(qū)動多個步進(jìn)電機的緊湊型設(shè)計

圖 3：TMC5160 驅(qū)動多個步進(jìn)電機的緊湊型設(shè)計

上圖是驅(qū)動兩個步進(jìn)電機的應(yīng)用。每個電機帶一個 ABN 編碼器接口和兩個參考開關(guān)。如果運動電機不需要實時任務(wù)，可用一個 CPU 控制整個系統(tǒng)。CPU 板和控制器 / 驅(qū)動器板之間的連接經(jīng)濟(jì)且節(jié)省空間。

TMC5160 運動控制和驅(qū)動芯片是 CPU 和大功率步進(jìn)電機之間的智能功率接口器件。所有步進(jìn)電機邏輯完全在 TMC5160 內(nèi)，不需要軟件來控制電機——只需提供目標(biāo)位置。TMC5160 提供了許多獨特的增強功能，這些功能通過集成的控制驅(qū)動器得以實現(xiàn)。TMC5160 的六點斜坡發(fā)生器自動使用 stealthChop、dcStep、coolStep 和 stallGuard2，來優(yōu)化每個電機的運動。TMC5160 將 TMC2100、TMC2130 和 TMC5130 系列擴(kuò)展 到更高的電壓和更高的電機電流。

TMC5160 提供三種基本操作模式：

模式 1： 全功能運動控制和驅(qū)動器

所有步進(jìn)電機邏輯完全在 TMC5160 內(nèi)，不需要軟件來控制電機——只需提供目標(biāo)位置。SD_ MODE 接地使能此模式。

圖 4：TMC5160 基本應(yīng)用框圖（運動控制器）

模式 2： 脈沖和方向驅(qū)動器

像 TMC 4361 這樣的外部高性能 S-ramp 運動控制器或 CPU 產(chǎn)生與系統(tǒng)內(nèi)其他部件（如電機）同步的脈沖和方向信號。TMC5160 控制電流和運動模式，并反饋電機狀態(tài)。microPlyer 自動平滑運動。SD _ MODE 接高電平使能此模式。

圖 5：TMC5160 步進(jìn) / 方向模式應(yīng)用框圖

模式 3： 簡單的步進(jìn)和方向驅(qū)動器

TMC5160 根據(jù)步進(jìn)和方向信號控制電機。microPlyer 自動平滑運動。不需要 CPU；配置由硬件引腳完成。靜止保持電流控制由 TMC5160 完成?？蛇x的反饋信號作為錯誤檢測和同步標(biāo)志的輸出。SPI_MODE 接地，SD_MOD 接高電平使能此模式。

圖 6：TMC5160 獨立模式驅(qū)動器應(yīng)用框圖

TMC 5160 實現(xiàn)了 Trinamic 產(chǎn)品獨有的高級功能，有效提高了步進(jìn)電機運行過程中的精度、能效、可靠性、平滑性和能耗。

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