TMC2160电机驱动器

步进电机在基于计算机和微控制器的位置控制应用中很流行,例如机器人技术,工业自动化,CNC机器,3D打印机和摄像机控制。由于其内部结构简单且连接线数量有限,因此步进电动机看上去看似简单。在网上常能看到,甚至还有很多关于如何使用老式L293D驱动器IC和Arduino控制步进电机的教程,但是对于严肃的应用,一切都取决于电机驱动器的质量和功能。

常用的步进电机驱动器类型

可拔插驱动模块

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如果您从事涉及步进电机的爱好项目,或者正在构建3D打印机,则可能熟悉可拔插驱动模块。它们由一个带有步进电机驱动器IC的小型PCB和排针连接器组成,可将模块插入较大的电路板。

可拔插驱动模块种类很多,可从多家半导体制造商的驱动器IC中进行选择。一些高端的则是围绕Trinamic步进驱动器IC构建的所谓SilentStepSticks,其中TMC2100和TMC2130是最受欢迎的。

这些SilentStepSticks是3D打印应用程序的理想选择,尤其是在长时间的打印作业中。使用较不高级的驱动程序时,步进电机的噪音可能很快会令人烦恼。SilentStepSticks不仅可使打印机安静运行,而且还有助于获得更好,更平滑和更一致的打印结果。

除了标准的Enable,Step和Dir信号之外,基于TMC2130和TMC5160的还具有SPI接口,该接口可用于调整和配置多个驱动器参数。现代3D打印软件比如Marlin支持这些驱动程序,甚至可以在打印过程中通过SPI接口自动调整电机驱动器,以达到最佳效果。

尽管可拔插驱动模块很小并且易于更换,但它们也有许多缺点。由于尺寸非常小,大多数驱动器IC都使用集成MOSFET,即使在顶部没有散热片的情况下,容易过热。在像CNC这样要求更高的应用中,这主要是一个问题。

此外,可拔插驱动模块不提供电动机电源和控制信号之间的电气隔离,从而使其不适用于复杂的运动控制系统。

工业步进电机驱动器

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工业驱动器通常用于广泛的应用,并且大多位于带有接线盒的外壳中,该接线盒用于连接电源,电动机导线和控制信号。通常,外壳也会用作内部电子设备的散热器。一些驱动器外壳甚至适合直接安装在步进电机的背面。通常使用DIP开关完成主要驱动器参数(如微步距和电动机电流)的配置。更高级的驱动程序还提供用于配置和调整电动机参数的串行端口或USB接口。

工业驱动器倾向于具有光耦合器输入,从而为控制信号(使能,步进和Dir信号)提供电隔离。一些驱动程序使用ModBus(甚至CAN总线)来控制电动机的位置,速度和方向。

概括地说,有两种驱动程序类型可用:开环和闭环。后者使用旋转编码器将电机轴位置反馈给驱动。如果电动机在某些负载条件下失步,则可以提供更高的精度和补偿。如果需要驱动多个步进电机,也可以选择多轴电机驱动器。

Trinamic TMC2160电机驱动器IC
我们的“金刚狼”数控龙门机器人(在第1部分和第2 部分中发布)基于Eding CNC的CNC310控制板。由于CNC310板需要外部步进电机驱动器,因此我们考虑使用基于Trinamic IC的驱动器。这将使CNC龙门机器人能够安静地运行,这在将机器用作SMT组件的拾取和放置机器时尤其重要。

最初,我们使用TMC2100和TMC2130 SilentStepSticks进行了一些快速测试,但这些测试无法完成任务,并且会迅速过热。取而代之的是,我们研究了全新的TMC2160,它使用外部MOSFET,并设计用于耗电较大的应用(图1)。

可以使用TMC2160转接板,但是不幸的是,仅通过SPI可以配置电动机驱动器参数,而CNC310板不支持该功能。此外,控制信号与电动机电源之间也没有电隔离。

最后,我们设计了自己的基于TMC2160的驱动器,该IC以独立模式运行,并具有用于控制信号的光耦合器输入。这允许使用DIP开关设置电动机驱动器参数。

大多数现代的步进电机驱动器(如TMC2160)都是所谓的斩波器驱动器,它们可以快速接通和断开相对较高的电压(通常是额定电动机电压的八倍,以达到最佳效果)。该技术允许控制每相的平均电流。大多数斩波驱动器在20–50kHz范围内使用斩波频率。由于斩波频率高于可听范围,因此噪声水平保持较低。在恒定的固定斩波频率下,通过改变输出脉冲的脉冲宽度来控制平均输出电流,这种技术称为脉冲宽度调制(PWM)。

除了经典的恒定停机时间斩波器外,TMC2160还具有两种复杂的SpreadCycle和StealthChop2斩波器模式,可确保无噪音运行,并具有最高效率和最佳电机转矩。

StealthChop2是基于电压斩波器的原理。它特别保证了电动机在静止和慢速运行时均保持安静,但滚珠轴承会产生噪音。与其他电压模式斩波器不同,stealthChop2不需要任何配置。在加电后的第一个动作期间,它会自动学习最佳设置,并在随后的动作中进一步优化设置。初始归位序列足以进行学习。StealthChop2通过立即对电动机速度的变化做出反应,从而实现了较高的电动机动态性能。

SpreadCycle是高级逐周期斩波器模式。它在广泛的速度和负载范围内提供平稳的运行和良好的共振阻尼。SpreadCycle斩波器方案可自动集成并调整快速衰减周期,以确保平滑的过零性能,并在低振动下实现高动态和最高峰值速度。

TMC2160的其他进步包括MicroPlyer阶跃插值,用于中频谐振的谐振阻尼,DcStep负载相关的速度控制,StallGuard高精度无传感器电动机负载检测以及CoolStep电流控制,可节省多达75%的能量。有关更多信息,请参考TMC2160产品页面和数据手册。

下面为电路图:

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