TMC260/TMC2660/TMC262步进电机驱动

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1.TMC260
  TCM260是德国TRINAMIC公司产的步进电机驱动芯片,综合性能应该是步进电机驱动芯片中排前列的,当然价格也是。TMC260程序上兼容TMC2660、TMC262,其中TMC2660是比较新的型号,驱动电流也比TMC260要大;TMC262是外置mos管,可驱动大功率步进电机,如57步进电机等。在之前“用过的几款步进电机驱动IC”的文章中,有简单介绍过,因此有坛友发私信或者留言询问该芯片的驱动程序,所以总结下自己的使用经验。

  其实集成步进电机驱动芯片,对于驱动电机来说是非常简易,通过脉冲方波或者总线(spi、i2c)发送指令即可驱动。TMC260也不例外,TMC260有两种驱动电机转动的方式,一是通过脉冲方波,二是通过spi接口发送指令。但是TMC260中有关参数的设置必须通过spi接口进行操作,如电流大小(力矩)、细分步矩角以及获取状态信息等。

  对于spi发送命令的控制方式,可能会存在延时,特别是一类总线为了便于用户层调用,对spi总线进行了多层封装的情况下,如在RTOS中。为提高电机速度,鄙人用的是第一种方式,通过脉冲方波控制电机转动,电机的相关参数则通过spi总线设置或者获取。对于转动控制则比较好理解和实现,通过定时器或者PWM输出控制“STEP”引脚即可,脉冲频率的高低控制转动速度的快慢;控制方向通过普通IO口控制“DIRECT”引脚高低电平切换,故这块不作赘述。下面重点介绍下spi配置参数方面,如果参数没有正确配置,也是无法控制电机转动或者出现转动噪音大的情况。

2.TMC260 SPI总线实现
  spi总线依然是基于“spi模型/硬件spi”中的spi封装函数。
首先定义TMC260 spi总线指针设备和TMC260指针设备。
  源码中,命名是TMC2660,因为后面更换使用为TMC2660,但程序完全兼容。

static struct spi_dev_device    tmc2660_spi_dev[1];//暂时只有一个电机
static struct spi_bus_device    spi_bus0;

第二步,实现spi 总线片选函数,即是普通IO口翻转。

static void spi0_cs(unsigned char state)
{
    if (state)
        GPIO_SetBits(TMC2660_PORTY_CS, TMC2660_GPIOY_CS);
    else
        GPIO_ResetBits(TMC2660_PORTY_CS, TMC2660_GPIOY_CS);
}

第三步,TMC260收发函数实现。

static u32 tmc2660_spi_xfer(u8 spi_no,u32 write_data)
{
    u8 send_buff[3],recv_buff[3];
    u32 recv_data= 0;

    send_buff[0] = (write_data>>16)&0xff;
    send_buff[1] = (write_data>>8)&0xff;
    send_buff[2] = (write_data&0xff);
    spi_send_recv(&tmc2660_spi_dev[spi_no],send_buff,recv_buff,3);
    recv_data = recv_buff[0]<<16 | recv_buff[1]<<8 | recv_buff[2];

    return (recv_data&0x0fffff);
}

其中:
—TMC260 spi是非标spi,一帧完整的数据是20bit,可以通过硬件spi驱动,无效位会自动忽略,如下图,从手册中获悉,使用24bit(3字节)传输,高4bit会自动忽略。所以这里还是用硬件spi。
这里写图片描述
—20bit的数据,spi设置为8bit模式,所以最少需要3字节(24bit)的缓存。
—返回值即是芯片的状态信息,每发一帧都会有相关信息返回。
—输入参数,分别是spi端口号和待写的数据。
—从时序图分析,用到的是spi封装函数中的“spi_send_recv”,即是发送完成同时也完成数据的接收,效率非常高。

3.TMC260 寄存器配置
  TMC260严格来说没有标准寄存器,在一串20bit的串行数据流中,以高3位选择不同的功能,后面17位表示数据,包括写入或者返回的状态数据。
这里写图片描述
  每一个寄存器都有详细的描述和使用方式,代码中进行宏定义。

#define     REG_DRVCTRL         0X00000000
#define     REG_CHOPCONF        0X00080000
#define     REG_SMARTEN         0X000A0000
#define     REG_SGCSCONF        0X000C0000
#define     REG_DRVCONF         0X000E0000

1)REG_DRVCTRL
  控制寄存器,如设置电流细分,其中细分数从1到256。

#define     MICROSTEP_256       0X00
#define     MICROSTEP_128       0X01
#define     MICROSTEP_64        0X02
#define     MICROSTEP_32        0X03
#define     MICROSTEP_16        0X04
#define     MICROSTEP_8         0X05
#define     MICROSTEP_4         0X06
#define     MICROSTEP_2         0X07
#define     MICROSTEP_1         0X08

  函数如下:

void tmc2660_set_subdivide(char mode,u8 motor_index)
{
        u8  step = 0;
        u32 cmd = 0;

        switch(mode)
        {
                case 0:
                        step = MICROSTEP_1;
                break;
                case 1:
                        step = MICROSTEP_2;
                break;
                case 2:
                        step = MICROSTEP_4;
                break;
                case 3:
                        step = MICROSTEP_8;
                break;
                case 4:
                        step = MICROSTEP_16;
                break;
                case 5:
                        step = MICROSTEP_32;
                break;
                case 6:
                        step = MICROSTEP_64;
                break;
                case 7:
                        step = MICROSTEP_128;
                break;
                case 8:
                        step = MICROSTEP_256;
                break;
                default:
                        step = MICROSTEP_16;
                break;
        }
        cmd = REG_DRVCTRL | step;
        tmc2660_spi_xfer(motor_index,cmd);
}

2)REG_CHOPCONF 暂未用到。
3)REG_SMARTEN 智能设置,默认自动模式,暂未用到。
4)REG_SGCSCONF
  配置寄存器,如设定最大输出电流,即是电机力矩。

void tmc2660_set_force(u8 force,u8 motor_index)
{
        u8 temp;
        int cmd = 0;

        temp = force/8;
        cmd = REG_SGCSCONF | SCG_DEFAULT | temp;
        tmc2660_spi_xfer(motor_index,cmd);
}

5)REG_DRVCONF
动力相关配置寄存器,如可以选择大电流模式,或者普通模式。
大电流模式:

tmc2660_spi_xfer(0,REG_DRVCONF | 0X0010); 

普通模式:

tmc2660_spi_xfer(0,REG_DRVCONF | 0X0050);


4.TMC260初始化

void tmc2660_init(u8 motor_index)
{       
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    //spi io
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);
    //spi cs PA4
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = TMC2660_GPIOY_CS;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(TMC2660_PORTY_CS, &GPIO_InitStructure);
    //device init
    stm32f1xx_spi_init(&spi_bus0,8,0,0);
    tmc2660_spi_dev[0].spi_cs = spi0_cs;
    tmc2660_spi_dev[0].spi_bus = &spi_bus0;     
    //enable 
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = TMC2660_GPIOY_EN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;                    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;                   
    GPIO_Init(TMC2660_PORTY_EN,&GPIO_InitStructure);
    //step  
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = TMC2660_GPIOY_STEP;                                       
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;     //推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;                   
    GPIO_Init(TMC2660_PORTY_STEP,&GPIO_InitStructure);
    //dir  
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = TMC2660_GPIOY_DIR;                                        
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;                    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;                   
    GPIO_Init(TMC2660_PORTY_DIR,&GPIO_InitStructure);

    //原点光电开关 PB11
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  SenseY_GPIO;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;   //上拉输入
    GPIO_Init(SenseY_PORT, &GPIO_InitStructure);

    TMC2660_OUTY_CS     = 1;
    TMC2660_OUTY_EN     = 0;                                                                        //enable
    TMC2660_OUTY_DIR    = 0;                                                                        //正反转控制

    tmc2660_spi_xfer(YMOTOR,REG_DRVCONF | 0X0050); //0X0010->305mV  0X0050->165mV 与电机电流相关
    tmc2660_spi_xfer(YMOTOR,REG_DRVCTRL | MICROSTEP_16);
    tmc2660_spi_xfer(YMOTOR,0x901b4);   //0x94557
    tmc2660_spi_xfer(YMOTOR,0xa0202);   //0xa0202->1/2CS 0xa8202->1/4CS 
    tmc2660_spi_xfer(YMOTOR,REG_SGCSCONF | SCG_DEFAULT | 0x00); //后5位为电流大小
    tmc2660_set_force(0,YMOTOR);
    tmc2660_set_subdivide(0x04,YMOTOR);
}

主要功能包括:
1)IO口初始化,步进控制、方向控制、使能控制、原点位置等IO口初始化。
2)spi总线指针初始化。
3)TMC2660控制芯片默认参数配置。

5.源码
[1] https://github.com/Prry/drivers-for-mcu

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