[原创] TMC2208测试（电流特性）

目录

1. 测试产品展示22. 测试平台展示

3. 基础运动测试

    3.1. 通信测试

        3.1.1. 硬件准备

        3.1.2. STM32软件平台搭建

        3.1.3. 串口通讯测试

    3.2. TMC2208参数配置

        3.2.1. 基础配置

        3.2.2. 其他配置

4. 针对性测试

    4.1. 待机电流特性

    4.2. 匀速过程电流特性和加减速过程电流特性

5. 总结

1. 测试产品展示
   首先感谢EEWorld提供的评测机会和得捷电子提供得TMC2208 步进电机评估板、MN35万用表和1个镊子。本次我是在得捷电子官网下单，快递从美国发货，在短短5天时间就拿到快递是让我非常惊喜的。
   展示一下3个商品，拿回来就在使用了，忘记提前拍照了。
   
   图1 tmc2208、万用表和镊子
   先给本次主角来个特写（焊接过程使用了图1中的镊子）。
   
   图2 焊接排针后的tmc2208
2. 测试平台展示
   电源：固纬GPD3303D
   主控芯片：STM32F407
   软件开发平台：STM32CubeMX、STM32CubeIDE
   步进电机：鼎智两相步进电机11E2105K4
   调试工具：J-Link
   参考芯片：TMC5160、TMC5130
   
   图3 电源
   
   图4 电机参数
   
   图5 硬件环境
   为了方便后续tmc2208的使用和拆除，本次实验使用杜邦线连接。
   
   图6 TMC5160
3. 基础运动测试
   1. 通信测试
      1. 硬件准备
         本次测试使用stm32f407的串口与tmc2208进行通讯，通过tmc2208自带的控制算法使步进电机平稳运行。接线方式采用的是2208手册上提供的第二种方式（主机和从机都为单线）。
         
         图7 串口连接图
         此处图中未画出上拉，在实际应用中空闲状态下IO须保持高电平。在实际测试中发现使用stm32内部的上拉没法通信的，使用外部3.3v加上10k电阻也不行，初步认为是驱动能力不够。3.3v加上1.5k电阻是没问题的，后面在网上找了一下接线图，发现用的是1k的。
         
         图8 测试使用的电阻（上10k，下1.5k）
         
         图9 贴片1k电阻
         TMC2208硬件电路连接完毕后，使用得捷电子提供的MN35万用表对24V、3.3V和GND分别进行检查，然后开启电源（电压：24V，电流：1A）。测量VREF（参考电压）电压值，默认1.22V，使用一字螺丝刀微调到1.0V（根据2208数据手册和步进电机调节）。
         
         图10 同事的一字螺丝刀
      2. STM32软件平台搭建
         STM32基础配置不在此做过多描述，特别说明与TMC2208相关配置（半双工串口和使能引脚）。
         
         图11 STM32引脚视图
         
         图12 半双工串口配置
         
         图13 TMC2208使能引脚
      3. 串口通讯测试
         2208的串口通信使用了CRC校验，但是算法好像和其他的开源的不一样，结果对不上。开始我还以为是线接错了，后来直接使用数据手册里面的算法通信就正常了。
         
         图14 贴片1k电阻
   2. TMC2208参数配置
      1. 基础配置
         查阅2208的数据手册，根据选用的通讯方式和电机参数对2208进行配置。
         GCONF：I_scale_analog （第0位）、pdn_disable（第6位）和mstep_reg_select（第7位）都置1。分别开启外部电压参考，寄存器电流控制，寄存器微步控制（不使能会导致无法修改微步参数）。
         
         图15 GCONF（0x00）配置
         IHOLD_IRUN：运行电流和保持电流相关配置。保持电流与GCONF和PWMCONF有关，否则设置参数不生效。结合步进电机和参考电压进行配置。
         
         图16 IHOLD_IRUN（0x10）配置
      2. 其他配置
         根据“快速配置指南”并结合自身需求进行配置。
         TPOWERDOWN：断电延时时间。
         
         图17 TPOWERDOWN（0x11）配置
         TPWMTHRS：StealthChop PWM电压上升速度。
         
         图18 TPWMTHRS（0x13）配置
         CHOPCONF：斩波器和驱动程序配置。微步设置为256。在使能SpreadCycle后根据数据手册调节TOFF和TBL一直存在电流声。
         
         图19 CHOPCONF（0x6C）配置
         PWMCONF：StealthChop PWM斩波器配置。使用时钟内部12MHz，配置。
         
         图20 PWMCONF（0x70）配置
4. 针对性测试
   1. 待机电流特性
      待机电流（电机静止时的保持电流），在完成“3.2.1基础配置”基础上计算所需待机电流。目标电流转换后写入IHOLD_IRUN寄存器的IHOLD字段，IHOLDDELAY字段可以延时进入待机状态。注意：一定要使能PWMCONF寄存器的pwm_autograd和pwm_autoscale，否则待机电流将失效。
      图21和图22都是在IRUN=0x17，IHOLD=0x02，60rpm（VACTUAL=0x117B8）等其他条件都不变，只改变IHOLDDELAY测试得到的图像。图21延时500ms左右稳定，图22延时1000ms左右稳定，具体延时时间与IRUN和IHOLD的差和时钟频率有关。可以看出电流过度还是比较平稳的。
      
      图21 IHOLDDELAY=0x01时，电机相电流
      
      图22 IHOLDDELAY=0x02时，电机相电流
      在IHOLD设置为0x08时，电流波动是在±50mA。在IHOLD设置为0x17时，电流波动是在±190mA。从图23和图24可以看出随着保持电流的增大波动也增大了，未发现明显电流声。图25（TMC5160）保持电流也会有波动，但测试时设置的保持电流较小。
      
      图23 IHOLD=0x08，相电流
      
      图24 IHOLD=0x17，相电流
      
      图25 TMC5160，相电流
   2. 匀速过程电流特性和加减速过程电流特性
      加减速测试过程软件未设置斜坡，速度分为4个阶依次为60rpm、600rpm、1000rpm和0rpm。从图26和图27中可以看出正弦波形比较圆滑没有出现畸变。在图25的高速情况下电流波形由正弦波变为三角波也符合理论。图30是前段时间使用TMC5130测试的一款步进电机（步距角15°，相电流0.16A）的波形，可以明显看出是有畸变的。从图31和图32可以看出，相同转速下无论是否开启SpreadCycle相电流波形都呈正弦，未发生畸变。但开启SpreadCycle后毛刺密度明显增加，可能是由于SpreadCycle模式下信号输出频率较高造成的。TMC5160的波形在图33中展示毛刺少了一些。
      
      图26 60rpm（左边部分），相电流
      
      图27 600rpm（右边部分），相电流
      
      图28 1000rpm（右边部分），相电流
      
      图29 0rpm（右边部分），相电流
      
      图30 TMC5130,900rpm，相电流
      
      图31 600rpm（未开启SpreadCycle）
      
      图32 600rpm（开启SpreadCycle）
      
      图33 600rpm（TMC5160开启SpreadCycle）
5. 总结