1、步进电机控制与驱动一体芯片 TMC223 原理与应用高 伟摘 要：在今日空间有限的环境中，设计人员急需功能丰富，体积精巧而整体效能强大的解决方案，TMC223 在对步进电机的控制中集成了控制和驱动功能，减轻了软件的设计量，减少外围电路，从而达到降低成本的目的关键词：OT P ； IIC ； StallGuard通常情况下在设计单轴步进系统时要分别选择，设计控制部分，驱动部分和功率管这三个部分往往是独立的，需要对各个部分进行设计开发。而 TRINAMIC 公司开发的TMC223 这款芯片集成了控制功能，驱动功能和驱动管，大大减少了开发时间和成本的同时也减小了产品的体积，增强了功能。1 功能TMC
2、223 是一款集成了 步进电机微步控制、驱动、RAM、OTP 存储器以及该公司的专利技术 StallGuard 功能与一起的高性能芯片。RAM 或 OTP 存储器用来存储电机参数和一些配置参数。TMC223 自身带有最大 16 倍的细分，驱动电流可达 0.8A，通过 2 根线的串行接口与微控制器通讯，只需要一个廉价的微控制器和 TMC223 就可以组成一个完整的单轴步进电机控制驱动系统。TMC223 主要部分的性能如下：电机驱动方面驱动单个步进电机带有 4 位分辨率的微步细分，包括整步最大细分数 16可编程控制的线圈电流最大 0.8A 所提供的驱动电压范围在 8V29V固定频率的 PWM 电流
3、控制带有自动选择的快慢衰减模式整步频率 1KHz高温、开路、短路、过流以及欠压诊断电机运动控制方面内置 16 位的位置计数器可配置速度、加速度的设置波形发生器可以根据所选择的位置或速度控制模式自动配置可在电机运动过程中及时更改目标位置外部参考信号出入，可用做电机限位信号2 线的串行接口传输速率 350KBPS可以传输诊断，状态信息以及运动参数可编程的节点地址数 32 个无需外部传感器的失速探测功能可以检测电机超载避免丢步监测系统的震动情况，有的放矢地解决共振问题TMC223 有两种不同的封状方式如图 1图 1 TMC223 的不同封状方式2 引脚功能图 2 TMC223 引脚及功能SDA SD
4、A 串行数据输入/输出SCL SCL 时钟输入VDD 电源输入（外部需退耦电容）GND 地TST 测试引脚（平时接地）open 不需要接HW 硬件线路串行接口地址输入CPN 电荷泵电容负极CPP 电荷泵电容负极VCP 电荷泵滤波电容接口OB/OA 电机 A/B 相接口SWI 参考开关输入3 内部结构及工作原理图 3 TMC223 内部结构图图 3 为 TMC223 芯片内部功能框图，电机的工加速度、加速度、目标位置等参数通过串行接口传送至主控制区域，这些信息被存储在内部的 RAM 或 OTP 存储器中，用于与位置控制。控制区域将按照设定好的参数来驱动步进电机以达到所需的控制速度，目标位置等。内
5、部集成了两个双 H 桥功率管可以直接驱动 2 相步进电机，驱动电流可以达到0.8A，PWM 用来控制流入电机线圈的电流，外部的电流输出感应电阻和内部的参考的值形成电流校正的闭环，通过输出电流比较电路，PWM 产生信号来驱动功率管。TMC223通过 2 线具有双向串行数据接口与微控制器通讯，运动指令通过有微控制器经过串行总线送至 TMC223 主控制区，而一些诊断信息也可以经过 TMC223 传送至微控制器，在同一总线上可以最多连接 32 个节点，从地址可以通过 OTP 存储器或外部的接口来定义。TMC223 还具有 StallGuard（失速探测功能）用在无需外部参考点的定位控制中，如不需要外
6、部参考点的回原点运动。TMC223 支持微步细分功能具有半步、 1/4、1/8、1/16，该功能保证了步进电机的平滑运动和很小的力矩波动几种细分模式可于用户自己选择。下面介绍 TMC223 几种典型在不同情况下的运动模式图 4 在运动过程中更改目标位置图 5 在减速过程中更改目标位置图 6 在还未达到最大速度时更改目标位置图 7 在运动过程中反方向更改目标位置电机以线形经过零点，在经过零点时电机的力矩波动非常小。在运动过程中更改目标位置，TMC223 有着和其它控制器不同的功能，这种更改电机是及时响应的，其它的控制器的控制方法是要在第一个目标位置到达后才执行更改后的目标位置，并非及时地响应。T
7、MC223 内部具有温度检测功能，到温度达到极限温度时电路会自动进入关闭状态，而且在这之前会产生温度报警信号；此外 TMC223 还具有电压检测功能，电路也会进入关闭状态当检测到电压低于极限值时，而且在这之前也会有报警信号产生。4 系统构成图 8 TMC223 典型的应用整个系统的电路非常简单，采用任何具有 IIC 通讯的微处理器结合 TMC223 芯片便构成单轴步进电机控制驱动系统，整个系统只需要 2 个主要的芯片即可，其中所有的运动功能包括波形发生器，脉冲发生器；驱动功能包括 PWM，功率驱动等主要功能均由 TMC223 来实现，外部直接连接两相步进电机，而微处理器负责通讯以及向 TMC223 发送指令，和传统的方式相比大大减轻的微处理器的负担，可以将其解放出来做更高层次的开发如 I/O 控制等。整套系统外围电路非常简单，抗干扰能力强，可靠性高，减少系统的成本。由于整个系统只需要 2 个芯片所以可把体积做得很小，可用在空间有限的场合，如安防上的云台以及仪器仪表，汽车电子等众多领域。
