TMC2208/2 & TMC2224系列步进电机驱动芯片深度解析

作为电子工程师，我们在步进电机驱动设计中常常面临各种挑战，如噪声控制、精度提升、能耗优化等。TMC2208/2 & TMC2224系列驱动芯片为我们提供了一套优秀的解决方案。下面，我将结合自己的经验和该芯片的数据手册，对其进行详细解析。

文件下载：TMC2202_TMC2208_TMC2224_datasheet_rev1.13.pdf

一、产品概述

TMC2202、TMC2208和TMC2224是适用于两相双极步进电机的超静音驱动芯片，可驱动高达2A（峰值）的电机电流。该系列芯片具有以下显著特点：

• 静音运行：采用StealthChop2™技术，能实现无噪音电机运行，尤其适用于对噪音敏感的环境，如家庭和办公室自动化设备。
• 高动态控制：SpreadCycle™算法提供高度动态的电机控制，可在中高速范围内实现出色的性能。
• 多种微步设置：支持2、4、8、16或32微步的引脚设置，通过MicroPlyer™插值还能实现256微步的平滑运行。
• 接口灵活：提供STEP/DIR接口，还可选UART接口进行高级配置。

其应用场景广泛，涵盖3D打印机、POS机、安防设备、ATM机等多个领域，能够满足不同行业的需求。

二、工作原理与模式

2.1 工作原理

TMC22xx系列芯片旨在作为现有低成本步进驱动应用的直接升级方案。其核心在于先进的斩波技术和电流控制算法，能够精确控制电机的运行。例如，StealthChop2斩波器可确保电机在静止和低速运行时绝对安静，同时实现高效的电流调节。

2.2 三种工作模式

• 独立STEP/DIR驱动模式（传统模式）：由CPU（µC）生成步进和方向信号，芯片根据配置引脚和STEP/DIR信号操作电机。电机运行电流可固定或由CPU通过模拟输入VREF设置。
• 带有OTP预配置的独立STEP/DIR驱动模式：通过预编程OTP内存，可以对斩波器进行调整以适应特定应用，还可将驱动切换到内部感测电阻模式以降低成本，优化自动功率下降水平和时间以提高应用效率。
• 具备完整诊断和控制功能的STEP/DIR驱动模式：与第二种模式类似，但将PDN_UART引脚连接到CPU的UART接口，可实现详细的诊断和热管理、被动制动和自由滑行等功能，还能提供更多的微步分辨率设置选项。

三、关键特性分析

3.1 先进算法

• StealthChop2™：无需任何配置，在启动后的第一次运动中自动学习最佳设置，并在后续运动中进一步优化。这种算法允许电机在静止和低速运行时实现无噪音状态，同时具备高动态性能，能够立即响应电机速度的变化。
• SpreadCycle™：一种先进的逐周期斩波模式，可在较宽的速度和负载范围内提供平滑的运行和良好的共振阻尼。该算法自动集成和调整快速衰减周期，以确保平滑的零交叉性能。

3.2 控制接口

• UART接口：单导线接口支持单向和双向操作，通过自动波特率检测功能，可与任何标准微控制器UART兼容。使用CRC校验可确保数据传输的可靠性，支持长距离通信。多个驱动器可并行编程，提高了系统的可扩展性。
• STEP/DIR接口：通过步进和方向输入控制电机，支持上升沿或上升和下降沿触发。内部表格将微步计数器值转换为正弦和余弦值，以控制电机电流，实现精确的微步控制。

3.3 其他特性

• 自动静止功率下降：通过将PDN_UART输入拉到GND，可自动降低静止电流，将静止功率消耗降低至不到33%。还可通过UART或OTP预编程修改静止电流、延迟时间和衰减。
• 索引输出：每电气旋转提供一个脉冲，有助于更精确的归位操作，提高电机控制的精度。

四、引脚分配与功能

TMC22xx系列芯片有多种封装变体，以适应不同的布局需求。下面以TMC2208为例，介绍其引脚功能：	引脚编号	类型	功能
OB2	1	电机线圈B输出2
CPO	3	电荷泵电容器输出
ENN	2	使能非输入，高电平时功率级关闭
GND	4	接地，连接到附近的接地平面
CPI	5	电荷泵电容器输入，与CPO使用22nF 50V电容器连接
VCP	6	电荷泵电压，与VS使用100nF电容器连接
MS1	9	微步分辨率配置（内部下拉电阻）
MS2	10	微步分辨率配置，与MS1配合使用
DIAG	11	诊断输出，驱动错误时为高电平
INDEX	12	可配置的索引输出，提供索引脉冲
CLK	13	时钟输入，可连接到GND使用内部时钟或提供外部时钟
PDN_UART	14	功率下降非控制输入，也是可选的UART输入/输出
VCC_IO	15	所有数字引脚的3.3V至5V IO电源电压
STEP	16	步进输入
VREF	17	模拟参考电压，用于电流缩放或内部感测电阻的参考电流
DIR	19	方向输入（内部下拉电阻）
VS	22、28	电机电源电压，需在附近提供滤波电容
OA2	21	电机线圈A输出2
BRA	23	线圈A的感测电阻连接
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的感测电阻连接
外露裸片焊盘	-	连接到接地平面，用于散热和提供接地参考

不同封装的芯片引脚功能可能会有所差异，但基本原理相同。在实际设计中，需要根据具体的芯片型号和应用需求来正确连接引脚。

五、样本电路设计

5.1 标准应用电路

标准应用电路使用最少的附加组件，通过两个感测电阻设置电机线圈电流。在设计时，应使用低ESR电容器对电源进行滤波，建议在驱动器附近使用至少100µF的电容，以获得最佳性能。同时，注意将感测电阻和滤波电容尽可能靠近相关IC引脚放置，确保良好的接地布局。

5.2 内部RDSon感应电路

对于成本敏感或空间有限的应用，可以省略感测电阻，使用内部RDSon感应。在这种模式下，通过一个小的外部电阻设置参考电流，以编程输出电流。但在启用驱动器之前，务必将IC切换到RDSon模式。

5.3 5V单电源供电电路

该电路允许芯片在5V ±5%的电源下运行，需要最小化线性稳压器的压降。可通过使用更高电容过滤内部5V稳压器，并使用可选电阻将5VOUT连接到外部电源，以减少斩波纹波。

5.4 配置引脚

TMC22xx系列芯片提供三到四个配置引脚，可用于快速配置独立操作。例如，通过PDN_UART引脚可配置静止功率下降功能；MS1和MS2引脚可配置微步分辨率；SPREAD引脚（仅TMC222X）可选择斩波模式。在UART模式下，可通过寄存器禁用配置引脚以设置不同的配置。

六、寄存器映射与配置

该系列芯片的寄存器集涵盖了通用配置、速度相关控制、定序器和斩波控制等多个方面。下面简要介绍几个重要的寄存器：

6.1 通用寄存器

• GCONF：包含全局配置标志，如电流缩放模式、斩波模式选择、电机方向设置等。
• GSTAT：全局状态标志寄存器，可指示芯片是否复位、是否存在驱动错误和欠压情况等。
• OTP_PROG：用于OTP编程，可对特定的参数进行预配置。

6.2 速度相关控制寄存器

• IHOLD_IRUN：控制驱动器的运行电流和静止电流，以及静止电流下降的延迟时间。
• TSTEP：实际测量的两个1/256微步之间的时间，用于确定电机速度。
• TPWMTHRS：设置StealthChop电压PWM模式的最高速度，超过该速度时驱动器将切换到SpreadCycle模式。

6.3 斩波控制寄存器

• CHOPCONF：斩波器和驱动器配置寄存器，可设置微步分辨率、滞环设置、关闭时间等。
• PWMCONF：StealthChop PWM斩波器配置寄存器，可控制PWM频率、自动缩放和梯度等参数。
• DRV_STATUS：驱动器状态标志寄存器，可指示电机静止状态、斩波模式、实际电流和温度等信息。

在实际应用中，需要根据具体的需求对这些寄存器进行正确配置，以实现最佳的电机性能。

七、StealthChop与SpreadCycle模式

7.1 StealthChop模式

StealthChop是一种基于电压模式PWM的超静音运行模式，在静止和低速时电机几乎无噪音。它具有自动调谐功能，通过两个步骤（AT#1和AT#2）可自动适应电机的运行参数。但在使用时需要注意，未正确调谐可能导致减速过程中电机电流过高，因此应遵循自动调谐过程并使用评估板检查最佳调谐条件。此外，还可根据电机类型和运行条件选择不同的PWM调节模式和频率。

7.2 SpreadCycle模式

SpreadCycle是一种逐周期电流控制模式，能够对电机速度或负载的变化做出快速响应，在中高速范围和易共振的电机及应用中表现出色。其斩波频率是一个重要参数，大多数电机在16 kHz至30 kHz的频率范围内能实现最佳运行。可通过调整TOFF、TBL、HSTRT和HEND等参数来优化该模式的性能。

7.3 两种模式的结合

为了兼顾无噪音运行和高动态性能，TMC22xx允许根据速度阈值（TPWMTHRS）结合StealthChop和SpreadCycle模式。在设计时，应先分别对两种斩波原理进行参数化和优化，然后确定合适的转换速度，以避免切换时出现抖动。

八、选型与设计注意事项

8.1 感测电阻选择

感测电阻的选择直接影响电机的最大电流设置，应根据所需的RMS电流值选择合适的电阻。同时，要注意使用低电感类型的电阻，如薄膜或合成电阻，以避免电压尖峰导致的不稳定测量结果。在布局上，应确保两个感测电阻不共享公共接地路径，以减少信号耦合。

8.2 电机电流控制

可通过多种方法对电机电流进行缩放，如使用VREF引脚电压、ENN引脚、PDN_UART引脚、OTP内存和UART接口等。在实际应用中，应根据具体需求选择合适的方法，以实现最佳的电流控制。

8.3 温度与保护

芯片集成了四级温度传感器，可进行过热预警和热关断保护。在设计时，应根据应用场景选择合适的温度阈值，并通过优化布局和散热措施来降低芯片温度。同时，芯片还具备短路保护和开路检测功能，可有效提高系统的可靠性。

8.4 布局设计

良好的布局设计对于芯片的性能至关重要。应注意将外露裸片焊盘连接到接地平面，并使用足够的导热过孔进行散热；确保所有GND引脚直接连接到公共接地区域；合理放置滤波电容，减少电源纹波和噪声。

九、总结

TMC2208/2 & TMC2224系列步进电机驱动芯片以其先进的技术和丰富的功能，为电子工程师提供了一个强大的工具。通过合理应用该系列芯片的各种特性和功能，我们可以设计出高性能、低噪音、高效率的步进电机驱动系统，满足不同应用场景的需求。在实际设计过程中，我们需要深入理解芯片的工作原理和特性，结合具体的应用需求进行优化设计，确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能对大家在步进电机驱动设计方面有所帮助。