探索TMC2590：通用、高性价比的步进电机驱动器IC

在步进电机驱动领域，TMC2590是一款值得深入研究的集成电路。它专为两相双极电机而设计，具备多种先进特性，适用于众多不同的应用场景。本文将带大家详细了解TMC2590的各个方面，希望能为电子工程师们在设计相关电路时提供一些有用的参考。

文件下载：TMC2590_datasheet_rev1.04.pdf

产品概述

TMC2590是一款通用且性价比高的步进电机驱动器，采用外部N和P沟道MOSFET，可适配不同尺寸的电机，支持Step/Dir接口、SPI接口，还具备独立运行模式。其工作特性包括：

• 宽电流和电压范围：电机电流范围为1A - 8A，电压范围为5V - 60V DC，若使用外部驱动器还能支持更高电压。
• 高分辨率微步进：最高可达每整步256细分，能提供更精确的电机控制。
• 小尺寸封装：采用5x5mm（主体）TQFP32 - EP封装，节省电路板空间。
• 低功耗和高温度耐受性：使用MOSFET功率级，自发热低，功耗小，能在较高温度环境下稳定工作。
• 多种先进特性：具备EMI优化的斜率和电流控制栅极驱动器，以及过流、可编程过温、欠压保护和诊断功能等。

TMC2590的应用范围广泛，涵盖了纺织、缝纫机、工厂与实验室自动化、3D打印、医疗设备、办公自动化、打印机和扫描仪、CCTV监控、安全设备、ATM机、现金循环机、POS机、泵和阀门、定日镜控制器、CNC机床等领域。

原理与关键特性

工作原理

TMC2590作为运动控制器和功率MOSFET之间的智能接口，用于驱动两相步进电机。上电后，嵌入式微控制器通过SPI总线向TMC2590发送命令，初始化驱动程序，设置控制参数和模式位。运动控制器可通过STEP和DIR信号控制电机位置，TMC2590内部的微步计数器和正弦表将这些信号转换为控制电机位置的线圈电流。

关键概念与特性

TMC2590实现了多项TRINAMIC产品独有的先进专利特性：

• StallGuard2™：利用线圈上的反电动势进行高精度负载测量，不仅可用于检测电机失速，还能在无限位开关或接近传感器的情况下实现机械归位。
• CoolStep™：负载自适应电流控制技术，可根据实际负载自动调整电机电流，最多可降低75%的能耗。
• SpreadCycle™：高精度斩波算法，相较于传统的恒定关断时间算法，能在更广泛的速度和负载范围内提供更平滑的运行和更高的功率效率。
• MicroPlyer™：微步插值器，可通过STEP/DIR接口提高微步进的平滑度。

接口与控制

控制接口

TMC2590提供两种控制接口：SPI串行接口和STEP/DIR接口。

• SPI接口：用于向芯片写入控制信息并读取状态信息，可进行特定应用的参数和模式初始化，也能直接设置电机线圈电流。通信时，主设备向从设备发送一个20位命令字，同时从设备向主设备返回一个20位状态字。
• STEP/DIR接口：默认启用，STEP输入的有效边沿（可配置为上升沿或上升和下降沿）决定电机的步数，DIR输入决定电机的步进方向。该接口简单可靠，适用于实时控制。

独立运行模式

在独立运行模式下，通过三个引脚即可配置常见的设置，如微步分辨率、斩波器滞环和电机电流等。但高级配置和个别诊断功能仍需通过SPI接口实现。

负载测量与电流控制

StallGuard2负载测量

StallGuard2能在选定的速度范围内精确测量电机负载，测量值在宽范围的负载、速度和电流设置下呈线性变化。通过设置SGT阈值和SFILT滤波位，可调整测量的灵敏度和精度。在实际应用中，需根据电机类型和运行条件对SGT阈值进行交互调整，以获得最佳测量效果。

CoolStep负载自适应电流控制

CoolStep通过监测StallGuard2的测量值SG，自动调整电机线圈电流，实现节能。通过设置SEMIN和SEMAX阈值，可控制电流的增减。当SG低于SEMIN时，增加电流；当SG高于(SEMIN + SEMAX + 1) x 32时，减少电流。此外，还可通过SEUP、SEDN和SEIMIN等参数进一步优化电流控制。

斩波操作

TMC2590提供两种斩波模式：SpreadCycle斩波模式和经典的恒定关断时间斩波模式。

• SpreadCycle斩波模式：是一种精确且易于使用的斩波模式，能自动确定快速衰减阶段的最佳长度。通过调整TOFF、TBL、HSTRT、HEND和HDEC等参数，可优化斩波效果，提高微步进质量。
• 经典恒定关断时间斩波模式：在每个导通阶段后采用固定时间的快速衰减。需要调整快速衰减时间和正弦波偏移，以实现平稳的过零和减少电机电流纹波。通过RNDTF位可启用随机关断时间功能，减少斩波频率之间的拍频效应和电磁发射。

保护与诊断

TMC2590具备完善的保护和诊断功能，可确保电机驱动器的可靠运行：

• 短路保护：通过监测高端MOSFET、感测电阻和低端MOSFET的电压降，检测短路或过载情况。可编程的短路检测延迟可适应不同的功率级和负载条件，并且在连续三次检测到短路后才会关闭电机。
• 开路负载检测：通过检查是否能达到所需的电机线圈电流来检测开路负载情况。但在电机静止时无法测量，可能会受到欠压、高速度、短路和过温等条件的影响。
• 温度传感器：集成了四级温度传感器，可提供100°C预警告、120°C过温释放和可选的136°C/150°C热关断功能，保护IC、MOSFET和相邻组件免受过热影响。
• 欠压检测：监测内部逻辑电源电压和电源电压，当栅极驱动电压过低时，防止芯片运行，并在欠压时复位逻辑控制块和禁用驱动器。

硬件设计与布局考虑

MOSFET选择

TMC2590可搭配多种N和P沟道配对的MOSFET，选择时需考虑电气数据（电压、电流、RDSon）、封装和配置（单管或双管）等因素。低总栅极电荷（(Q_{G})）有助于实现合理的斜率，并且低侧MOSFET的性能对整体效率的贡献约为70%。

布局考虑

PCB布局对TMC2590的性能至关重要，以下是一些关键的布局建议：

• 感测电阻：感测电阻应靠近功率MOSFET，并通过单个短连接连接到接地平面，避免接地差异和接地纹波电压的影响。同时，两个感测电阻不应共享公共接地连接，以减少轴间耦合。
• 裸片焊盘：裸露的裸片焊盘和所有接地引脚必须连接到坚固的接地平面，以提供稳定的接地参考和散热。
• 电源滤波：在5VOUT引脚附近应放置470nF - 10µF的陶瓷滤波电容，VS引脚应靠近接地平面放置100nF滤波电容，电机MOSFET桥电源引脚应使用电解电容和陶瓷电容进行去耦。

总结

TMC2590是一款功能强大、特性丰富的步进电机驱动器IC，具备高分辨率微步进、负载自适应电流控制、高精度负载测量等先进特性，能在多种应用场景中提供高效、可靠的电机驱动解决方案。电子工程师在设计相关电路时，应充分了解其工作原理、接口特性和布局要求，根据具体应用需求进行合理配置和优化，以实现最佳的电机控制效果。大家在实际应用中是否遇到过其他类似IC与之对比的情况呢？或者在使用TMC2590时有没有什么独特的经验，欢迎分享交流！