基于TMC5160 StallGuard2實(shí)戰(zhàn)案例分享

當(dāng)控制環(huán)境比較惡劣，周邊可能存在大型的電機(jī)對電磁抗干擾能力影響較大時，管道閘中的閥門控制將面臨一定挑戰(zhàn)和障礙，面對這種情況，該如何明確閥門的位置和檢測扭矩？本次技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健邀請到了他們的客戶——行業(yè)資深工程師阮工來分享他的實(shí)戰(zhàn)案例。

ADI的TMC5160是一款高度緊湊的步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動器IC，具有最低功耗和最高動態(tài)性能的功率級，能確保無噪音運(yùn)行，結(jié)合最高效率和最佳電機(jī)扭矩。阮工運(yùn)用TMC5160 StallGuard2，通過編碼器來判斷閥門是否已經(jīng)開啟或關(guān)閉，通過扭矩判斷閥門是否異常不能打開和關(guān)閉。該項(xiàng)目輸入?yún)?shù)如下表：

圖1 輸入?yún)?shù)

下圖為阮工結(jié)合硬件原理框架設(shè)置的系統(tǒng)架構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

電源電壓輸入部分

電源DC-DC選擇ADI的MAX17501/MAX17502，該型號輸入電壓可以支持最高60V（和TMC5160最高輸入電壓一致）。電流分別是500mA和1A，封裝一致，由于不同的外設(shè)（光電開關(guān)、編碼器）需求電流不一樣，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求來選擇型號。

為了實(shí)現(xiàn)斷電記憶的功能，使用超級電容來作為備份電源，超級電容芯片選擇LTC3225對超級電容進(jìn)行充電管理。當(dāng)電源斷電后超級電容還可以持續(xù)輸出一段時間來維持MCU的供電，MCU就可以檢測輸入電壓來判斷是否已斷電來記錄位置。

MCU供電以MAX8891，MAX8891低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器設(shè)計用于提供高達(dá)150mA的連續(xù)輸出電流，可以滿足MCU、通信接口芯片的供電電流。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動部分

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動部分，阮工使用了TMC5160。TMC5160的電壓范圍為8-60V；支持編碼器接口和2個參考開關(guān)輸入；支持StallGuard2高精度的無傳感器負(fù)載檢測，可用于閥門故障檢測；外置MOS管，最大支持電流20A。實(shí)際應(yīng)用時，選擇60V40A的mos，可以滿足最大5A的需求。

通信部分

阮工在CAN接口使用了MAX3051，該型號支持最大1M的速率。RS485接口使用了MAX3060，該型號±15kV ESD保護(hù)、失效保護(hù)、20Mbps，輸入電壓是3.3V。接口芯片供電都是3.3V，可以直接與MCU鏈接。并且這兩個型號體積小，可以很好地優(yōu)化PCB尺寸。用戶可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際的需求來選擇通信接口。

位置反饋

大部分編碼器使用的是差分信號，這里以MAX14980作為信號轉(zhuǎn)換，將差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號，鏈接TMC5160和MCU的編碼器接口。

程序調(diào)試

由于該案例需要通過力矩來判斷閥門的故障和極限位置作為原點(diǎn)，需要使用StallGuard2的功能。下面介紹StallGuard2的相關(guān)寄存器及配置過程：

關(guān)鍵寄存器：

*IHOLD_IRUN 0X10：電流寄存器-設(shè)置合適的電流，設(shè)置電流大小直接影響電機(jī)的負(fù)載能力。設(shè)定電流改變后sgt值也需要調(diào)節(jié)。

圖3 IHOLD_IRUN電流寄存器表

*VMAX 0X27 最高速度，使用StallGuard2的最佳工作速度范圍在10-300PRM，不同的電機(jī)速度有所區(qū)別。

圖4 VMAX最高速度寄存器表

*SW_MODE 0X34: sg_stop 10bit- 1:啟用STALLGUARD 2功能。

圖5 sg_stop寄存器表

*COOLCONF 0x6D: 16bit-22bit  StallGuard2 閾值，該值用于設(shè)置靈敏度；24bit-標(biāo)準(zhǔn)/濾波模式。

圖6 COOLCONF寄存器表

*TCOOLTHRS 0X14:使能CoolStep和StallGuard2功能的下限速度，到達(dá)此值電機(jī)停止并保持。

圖7 TCOOLTHRS寄存器表

*DRV_STATUS 0X6F: StallGuard2值和驅(qū)動錯誤標(biāo)志0-9bit SG_RESULT(負(fù)載值) 用于監(jiān)測電機(jī)所剩的扭力。

圖8 SG_RESULT寄存器表

配置過程通過程序代碼來說明，如下：

步驟1：

spi_writeRegister(SW_MODE，0x0600)；--使能StallGuard2

spi_writeRegister(IHOLD_IRUN，value)；--設(shè)置電機(jī)的額定電流

spi_writeRegister(VMAX，MAX_Speed_)；--設(shè)置最高速度

spi_writeRegister(COOLCONF，0)；--設(shè)置StallGuard2靈敏度

spi_writeRegister(TCOOLTHRS，setTCOOLTHRS )；--設(shè)定停止閾值，此值可以根據(jù)不同的閥門狀態(tài)來設(shè)定，如歸零或開啟/關(guān)閉

spi_writeRegister(RAMPMODE，VELOCITY_MODE_POS)；--啟用速度模式

步驟2：

spi_readRegister(DRV_STATUS)；--50ms定時讀取SG_RESULT(負(fù)載值)

步驟3：

StallGuard2值SG_RESULT受電機(jī)特性及特定應(yīng)用的負(fù)載和速度影響。因此， 針對特定電機(jī)類型和運(yùn)行條件調(diào)整Stallguard2閾值SGT的最簡單方法是在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行交互式調(diào)整。

接下來調(diào)整StallGuard2的SGT的初始步驟。

1. 以適用的正常運(yùn)行速度運(yùn)行電機(jī)，并監(jiān)控SG_RESULT 。

2. 緩慢增加電機(jī)的機(jī)械負(fù)載。如果電機(jī)在SG_RESULT達(dá)到0之前停止，則減小SGT。如果SG_RESULT在電機(jī)停止之前達(dá)到0，則增大SGT。0是SGT初始值。SGT是有符號的，可正可負(fù)。

3. 將TCOOLTHRS設(shè)置為高于TSTEP的值，并啟用sg_stop使能堵轉(zhuǎn)停止功能。確保電機(jī)在停機(jī)時安全停止。如果電機(jī)在堵轉(zhuǎn)發(fā)生前停止，增加SGT。通過禁用sg_stop或讀并寫入RAMP_STAT寄存器(寫+清除功能)重新啟動電機(jī)。

4. 在電機(jī)增加負(fù)載堵轉(zhuǎn)前，SG_RESULT最佳范圍大約在0和10之間，且在沒有負(fù)載的情況下SG_RESULT增加100或更多時。在大多數(shù)情況下，SGT應(yīng)在某個運(yùn)動速度或速度范圍調(diào)整。確保設(shè)置在一定范圍內(nèi)(例如所需速度的80%至120 %)以及極端電機(jī)條件下(最低和最高適用溫度)工作可靠。

允許自動調(diào)整SGT的可選步驟

SGT設(shè)置背后的基本思想是補(bǔ)償電機(jī)內(nèi)部電阻損耗的對StallGuard2影響。 在靜止和非常低的速度下，由于機(jī)械功率為零或接近零，電阻損耗是電機(jī)能量平衡的主要因素。這樣可以將SGT設(shè)置為接近零速度的最佳值。該算法特別適用于在應(yīng)用中調(diào)整SGT，以獲得與環(huán)境條件、電機(jī)雜散等無關(guān)的最佳結(jié)果。

1. 以小于10 RPM(即每秒幾個至幾十個全步的低速運(yùn)行電機(jī)，并獲得目標(biāo)運(yùn)行電流和電源電壓。)在此速度范圍內(nèi)，SG_RESUL對電機(jī)負(fù)載的依賴性不大，因?yàn)殡姍C(jī)不會產(chǎn)生顯著的反電勢。因此，機(jī)械負(fù)載對結(jié)果影響不大。

2. 打開sfilt濾波器。將SGT從0逐漸增加到SG_RESULT開始增加。當(dāng)SGT值較高時，SG_RESUL將上升到最大值，繼續(xù)增大SGT則SG_RESULT會溢出到0。 現(xiàn)在，SGT值被設(shè)置成最大敏感。當(dāng)看到SG_RESULT以較高的速度增加時，則檢測到堵轉(zhuǎn)。

該參數(shù)設(shè)置下堵轉(zhuǎn)檢測的上限速度由速度確定，在該速度下，電機(jī)反電勢接近電源電壓，速度繼續(xù)增大電機(jī)電流開始下降。
    當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時，SG_RESULT變?yōu)?，可配置斜坡發(fā)生器 SW_MODE中的sg_stop 使能在堵轉(zhuǎn)事件時停止電機(jī)。將TCOOLTHRS設(shè)置為與較低的速度閾值相匹配，在該閾值下，StallGuard2 結(jié)果最佳，完成有效的sg_stop。

ADI的TMC5160 StallGuard2的功能非常廣泛，TMC5160 CoolStep負(fù)載自適應(yīng)電流控制，也是基于StallGuard2的負(fù)載檢測來控制電流輸出電流大小，實(shí)現(xiàn)低功耗，節(jié)約能源，降低芯片溫度。在某些應(yīng)用中可以通過力矩來診斷設(shè)備的健康狀況和設(shè)備歸零的功能，還可以節(jié)省編碼器及光電開關(guān)，有效的節(jié)約生產(chǎn)成本。其授權(quán)代理商Excelpoint世健為客戶提供技術(shù)支持和指導(dǎo)，提高設(shè)備提高效率，助力實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動。