TMC2208/2 & TMC2224 步进电机驱动芯片深度解析

步进电机在工业自动化、3D 打印、办公设备等领域应用广泛，而驱动芯片的性能直接影响着步进电机的运行效果。TMC2208/2 和 TMC2224 作为超静音的步进电机驱动芯片，为工程师们带来了更优的解决方案。

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一、产品概述

TMC2202、TMC2208 和 TMC2224 是用于两相步进电机的超静音驱动芯片，适用于高达 2A 峰值电流的电机。其引脚与许多传统驱动器兼容，采用了先进的 StealthChop2 斩波器技术，能确保无噪音运行、实现最高效率和最佳电机扭矩。同时，快速的电流调节功能以及与 SpreadCycle 的可选组合，可实现高度动态的运动。

1.1 应用领域

• 3D 打印机：高精度的控制和静音运行，可提升打印质量和用户体验。
• 办公和家庭自动化：如打印机、POS 机等，减少噪音干扰。
• 纺织和缝纫机：实现平稳、精确的运动控制。
• CCTV 和安防设备：保障设备稳定运行。
• ATM 和现金回收机：确保设备的可靠性和稳定性。
• HVAC 系统：提供高效的电机驱动。

1.2 特性与优势

• 电流控制：支持高达 2A 峰值的两相步进电机，集成的功率 MOSFET 可处理高达 1.4A RMS 的电机电流。
• 微步控制：提供 2、4、8、16 或 32 微步的引脚设置，通过 MicroPlyer™ 插值可实现 256 微步的平滑运行。
• 静音运行：StealthChop2™ 技术确保电机在静止和低速运行时几乎无噪音。
• 动态控制：SpreadCycle™ 高度动态的电机控制斩波器，可在中高速范围内提供更好的性能。
• 低导通电阻：低 RDSon LS 280mΩ & HS 290mΩ（典型值在 25°C 时），降低功率损耗。
• 宽电压范围：电压范围为 4.75…36V DC，适应不同的电源环境。
• 自动待机电流降低：可选自动降低待机电流，减少功耗。
• 内部感测电阻：可选择使用内部感测电阻，无需外部感测电阻。
• 保护与诊断：具备全面的保护和诊断功能，确保系统的可靠性。
• 封装选择：提供 QFN 和可焊边 QFN 封装，满足不同的应用需求。

二、工作原理

2.1 三种工作模式

• 独立 STEP/DIR 驱动（传统模式）：CPU 生成步进和方向信号，TMC22xx 根据配置引脚和 STEP/DIR 信号操作电机。电机运行电流可固定或通过 CPU 使用模拟输入 VREF 设置。
• 带 OTP 预配置的独立 STEP/DIR 驱动：通过预编程 OTP 内存，可实现更多功能，如调整斩波器以适应应用、切换到内部感测电阻模式、调整自动电源关闭水平和时间等。
• 带完整诊断和控制的 STEP/DIR 驱动：与模式 2 类似，但 PDN_UART 引脚连接到 CPU 的 UART 接口，可提供详细的诊断和热管理、被动制动和自由轮功能、更多微步分辨率设置选项以及软件控制的电机电流设置等。

2.2 关键技术

• StealthChop2™：无噪音、高精度的斩波算法，可实现电机的静音运行和静止。与 StealthChop™ 相比，可实现更快的电机加速和减速，并将 StealthChop 扩展到低静止电机电流。
• SpreadCycle™：高精度的逐周期电流控制算法，适用于高速动态运动。
• MicroPlyer™：微步插值器，可从全步输入获得完整的 256 微步平滑度。

2.3 控制接口

• UART 接口：单总线接口支持单向或双向操作，可实现参数设置和完整控制与诊断。自动波特率检测使其易于使用，CRC 校验可确保数据传输的可靠性。

三、引脚分配与信号描述

TMC22xx 系列提供多种封装变体，以适应不同的引脚布局。以下是 TMC2208、TMC2202 和 TMC2224 的引脚分配和信号描述：

3.1 TMC2208

引脚编号	类型	功能
OB2	1	电机线圈 B 输出 2
CPO	3	电荷泵电容输出
ENN	2	使能非输入，高电平关闭功率级
GND	4	接地
CPI	5	电荷泵电容输入
VCP	6	电荷泵电压
N.C.	7, 20, 25	未使用引脚
5VOUT	8	内部 5V 稳压器输出
MS1	9	微步分辨率配置
MS2	10	微步分辨率配置
DIAG	11	诊断输出，驱动错误时为高电平
INDEX	12	可配置索引输出
CLK	13	时钟输入
PDN_UART	14	电源关闭非控制输入，可选 UART 输入/输出
VCC_IO	15	3.3V 至 5V IO 电源电压
STEP	16	步进输入
VREF	17	模拟参考电压或内部感测电阻参考电流
DIR	19	方向输入
VS	22, 28	电机电源电压
OA2	21	电机线圈 A 输出 2
BRA	23	线圈 A 感测电阻连接
OA1	24	电机线圈 A 输出 1
OB1	26	电机线圈 B 输出 1
BRB	27	线圈 B 感测电阻连接
暴露裸片焊盘	-	连接到接地平面，用于散热和接地

3.2 TMC2202

与 TMC2208 类似，但引脚布局有所不同，部分未使用引脚需保持开路以提供更高的爬电距离。

3.3 TMC2224

引脚编号	类型	功能
MS1	28	微步分辨率配置
MS2	1	微步分辨率配置
INDEX	2	可配置索引输出
GND	3, 17	接地
CPO	4	电荷泵电容输出
CPI	5	电荷泵电容输入
VCP	6	电荷泵电压
VS	7, 14	电机电源电压
OA2	8	电机线圈 A 输出 2
BRA	9	线圈 A 感测电阻连接
OA1	10	电机线圈 A 输出 1
OB1	11	电机线圈 B 输出 1
BRB	12	线圈 B 感测电阻连接
OB2	13	电机线圈 B 输出 2
VREF	15	模拟参考电压或内部感测电阻参考电流
TEST	16	连接到接地，可留空或连接到 VREF
5VOUT	18	内部 5V 稳压器输出
VCC_IO	19	3.3V 至 5V IO 电源电压
PDN_UART	20	电源关闭非控制输入，可选 UART 输入/输出
DIAG	21	诊断输出，驱动错误时为高电平
SPREAD	22	斩波模式选择
DIR	23	方向输入
ENN	24	使能非输入，高电平关闭功率级
STEP	25	步进输入
N.C.	26	未使用引脚
CLK	27	时钟输入
暴露裸片焊盘	-	连接到接地平面，用于散热和接地

四、示例电路

4.1 标准应用电路

使用最少的额外组件，通过两个感测电阻设置电机线圈电流。建议使用低 ESR 电容器进行电源滤波，以减少电流纹波。

4.2 内部 RDSon 传感

对于成本敏感或空间有限的应用，可省略感测电阻，使用内部 RDSon 进行电流传感。通过一个小的外部电阻设置参考电流，以编程输出电流。

4.3 5V 仅供电

该应用允许芯片从 5V +/-5% 的电源供电，需最小化线性稳压器的压降，可通过过滤内部 5V 稳压器和使用可选电阻桥接来实现。

4.4 配置引脚

TMC22xx 系列提供三或四个配置引脚，可用于快速配置独立操作。通过 OTP 编程可设置更多选项，在 UART 模式下，可禁用配置引脚以通过寄存器设置不同的配置。

4.5 高电机电流

在高电机电流下，MOSFET 的导通电阻会导致驱动功率损耗增加，从而使驱动器和 PCB 发热。因此，在高负载条件下，需仔细考虑热特性，特别是在环境温度较高时。

4.6 驱动器保护和 EME 电路

为防止 ESD 事件对驱动器造成损坏，可在驱动器输出端使用电容器或 LC 滤波器，以减少 ESD 事件引起的 dV/dt。同时，可使用压敏电阻消除线圈过电压。

五、UART 单总线接口

UART 单总线接口允许使用任何微控制器的 UART 控制 TMC22xx，通过 CRC 校验确保数据传输的可靠性。自动波特率检测使其易于使用，可实现长距离通信。

5.1 数据报结构

• 写访问：数据报包含同步字节、从地址、寄存器地址、数据和 CRC 校验。
• 读访问：请求数据报与写访问类似，但使用较少的用户位。响应数据报包含同步字节、主地址、寄存器地址、数据和 CRC 校验。

5.2 CRC 计算

使用 8 位 CRC 多项式进行校验，可检测多达 8 个单比特错误。

5.3 UART 信号

UART 接口使用单个双向引脚 PDN_UART，IC 会连续检查该引脚是否接收到带有自身地址的正确数据报，并根据同步字节自适应波特率。

5.4 多从机寻址

如果不需要读访问，可并行编程所有从机。若需要单独访问每个从机，可使用模拟开关进行寻址。

六、寄存器映射

TMC22xx 提供了完整的寄存器集，包括通用配置寄存器、速度相关驱动特性控制寄存器集、斩波器寄存器集等。通过对这些寄存器的设置和读取，可实现对驱动器的精确控制和诊断。

6.1 通用寄存器

• GCONF：全局配置标志，可设置电流参考、斩波模式、电机方向等。
• GSTAT：全局状态标志，可指示 IC 是否复位、驱动器是否因过热或短路而关闭等。
• SLAVECONF：从机配置寄存器，可设置读访问的延迟时间和 OTP 编程。
• OTP_READ：OTP 配置内存，可读取 OTP 内存中的设置。
• IOIN：输入寄存器，可读取所有可用输入引脚的状态。
• FACTORY_CONF：工厂配置寄存器，可设置时钟频率和过热阈值。

6.2 速度相关控制

• IHOLD_IRUN：驱动器电流控制寄存器，可设置静止电流和运行电流。
• TPOWERDOWN：设置从静止检测到电机电流功率下降的延迟时间。
• TSTEP：实际测量的两个 1/256 微步之间的时间，用于速度阈值比较。
• TPWMTHRS：设置 StealthChop 电压 PWM 模式的上限速度。
• VACTUAL：通过 UART 控制电机的速度。

6.3 顺序器寄存器

• MSCNT：微步计数器，可指示电机在微步表中的实际位置。
• MSCURACT：实际微步电流，可读取电机相 A 和相 B 的实际微步电流。

6.4 斩波器控制寄存器

• CHOPCONF：斩波器和驱动器配置寄存器，可设置斩波模式、微步分辨率、比较器空白时间等。
• DRV_STATUS：驱动器状态标志和电流水平读取寄存器，可指示电机静止、斩波模式、实际电机电流、温度阈值等。
• PWMCONF：StealthChop PWM 斩波器配置寄存器，可设置 PWM 自动缩放幅度限制、调节环梯度、PWM 频率等。
• PWM_SCALE：StealthChop 电压 PWM 缩放校正值，可用于监测自动 PWM 幅度缩放。
• PWM_AUTO：自动确定的 PWM 偏移和梯度值，可用于监测自动调谐和确定初始值。

七、StealthChop™ 模式

StealthChop 是一种极其安静的步进电机运行模式，基于电压模式 PWM。在静止和低速时，电机几乎无噪音，非常适合室内或家庭应用。

7.1 自动调谐

StealthChop2 集成了自动调谐程序，可自动调整最重要的运行参数以适应电机。运动控制器只需遵循两个步骤：电机静止但以额定运行电流供电（AT#1），然后以中等速度移动电机（AT#2）。

7.2 StealthChop 选项

提供自动调谐模式和前馈速度控制模式，推荐使用自动调谐模式，除非在特定操作条件下电流调节不满足要求。

7.3 StealthChop 电流调节器

自动缩放功能可将电机电流调节到所需的电流设置，PWM_REG 是该调节器的比例系数，需根据电机的加速和减速要求进行优化。

7.4 速度基于缩放

通过 TSTEP 测量的步间时间进行速度基于缩放，可补偿电机的反电动势。PWM_AMPL 和 PWM_GRAD 可通过自动调谐或手动计算确定。

7.5 结合 StealthChop 和 SpreadCycle

为满足高速运动的需求，可根据速度阈值结合 StealthChop 和 SpreadCycle，以实现无噪音运行和最高动态性能。

7.6 标志在 StealthChop 中的应用

由于 StealthChop 使用电压模式驱动，基于电流测量的状态标志响应较慢，电机失速或突然停止可能会触发过流条件。

7.7 自由轮和被动制动

StealthChop 提供不同的电机静止选项，可通过设置静止电流 IHOLD 为零并选择 FREEWHEEL 设置来实现自由轮和被动制动。

八、SpreadCycle 斩波器

SpreadCycle 是一种逐周期电流控制斩波器，可对电机速度或负载的变化做出快速响应。在中高速范围内，对于容易产生共振的电机和应用，SpreadCycle 可提供更好的性能。

8.1 SpreadCycle 设置

SpreadCycle 算法可自动确定快速衰减阶段的最佳长度，通过调整 TOFF、TBL、HSTRT 和 HEND 等参数，可优化斩波器以适应应用。

8.2 选择感测电阻

根据所需的最大电机电流选择合适的感测电阻，推荐使用低电感类型的电阻，并确保对称的布局和短而直的走线。

九、电机电流控制

电机电流可通过感测电阻的电阻值设置，还可通过 VREF、ENN、PDN_UART、OTP 内存和 UART 接口等方式进行缩放。

9.1 模拟电流缩放 VREF

可使用模拟输入 VREF 进行电流控制，通过电压分压器或 PWM 信号实现灵活的输出电流缩放。

9.2 内部感测电阻

TMC22xx 提供使用内部感测电阻的选项，可节省成本和空间，但电流调节精度稍低。

十、STEP/DIR 接口

STEP 和 DIR 输入提供了一个简单、标准的接口，与许多现有的运动控制器兼容。MicroPlyer 步脉冲插值器可将高分辨率微步的平滑电机运行引入到原本设计用于粗步进的应用中。

10.1 时序

STEP 和 DIR 信号的时序参数需满足一定的要求，以确保正确的操作。

10.2 改变分辨率

TMC22xx 内部的微步表可生成正弦波电机线圈电流，通过改变微步分辨率设置，可实现不同的步宽和旋转方向。

10.3 MicroPlyer 步插值器和静止检测

MicroPlyer 可在每个 STEP