Art-Pi+TMC2209步进电机细分控制

RTThread物联网操作系统 2024-01-12 20:24

TI MCU方案：能源基础设施实时控制 【TI资料】基于新型C29内核的MCU技术资料

1.背景

前几天找出个步进电机，用L298N驱动测试了一下，具体见上篇文章简单的步进电机驱动调试。但是L298N无法实现细分控制，在低速转动时，声音比较大，且振动厉害，因此想着尝试一下细分控制效果。于是花十二块大洋某宝购买了一块T“MC2209步进电机超静音驱动模块”来测试一下。

2.硬件及连接

2.1硬件

ART-Pi、TMC2209模块、DC12V电源。

2.2接口连接

TMC2009模块的接口连接如下：

3.原理介绍

3.1 TMC2209模块介绍

TMC2209是TRIAMINIC推出的一款步进电机驱动模块。驱动模块静音且高精度，可以实现高达1/256步细分控制，实现更平滑静音的步进电机控制。模块内嵌12.5 MHz的内部振荡器，简单串行数据传输的UART。性价比较高的步进电机驱动模块。

3.2 TMC2209规格

工作电压：5.5 – 38V

最大内部时钟频率：12.5 MHz

每相最大电流：2 A

峰值输出电流：2.8A

逻辑工作电压：3/5V

3.3 TMC2209针脚定义

3.4 微步细分配置

1）硬件细分配置

TMC2209模块提供了硬件微步配置，通过MS1和MS2可以实现1/8、1/16、1/32、1/64的细分控制，具体如下：

2）软件细分配置

如果想实现更高的细分控制，则需要通过UART口进行配置，具体如下：

a）首先说一下硬件接口，当使用UART接口时，MS1和MS2作为地址配置，可以同时挂载4个tmc2209（地址分别为：0~3），就用一个时可以悬空，因为内部已下拉；

b) 我这个TMC2209模块的PDN_UART应该是“PDN”引脚，“USART”引脚是悬空的,电路板上预留的0欧电阻可以分别接向两个引脚，实际一个没焊（被误导了，我说怎测都不行呢）；

c) DIR和STEP可以通过UART来控制，也可以通过IO控制，我这里仅用UART来实现微步设置，其他没测；

d）这里用art-pi的USART1，PA9和PA10接PDN管脚，PA9串联1K电阻；

e）报文格式，参照芯片手册：

CRC校验码，可以直接使用手册里的代码即可

剩下的就是寄存器的数据配置了，这里用到了GENERAL CONFIGURATION REGISTER（0x00）使能内部细分配置，CHOPCON（0x6C）进行微步设置。

4.程序代码

4.1 TMC2209初始化

 1//微步设置
 2void micro_step_set(rt_uint8_t step)
 3{
 4#ifdef USING_UART
 5    rt_uint8_t chopconf[4] = {0};
 6    switch (step) {
 7        case 256:
 8            chopconf[3] = 0x10;
 9            break;
10        case 128:
11            chopconf[3] = 0x11;
12            break;
13        case 64:
14            chopconf[3] = 0x12;
15            break;
16        case 32:
17            chopconf[3] = 0x13;
18            break;
19        case 16:
20            chopconf[3] = 0x14;
21            break;
22        case 8:
23            chopconf[3] = 0x15;
24            break;
25        case 4:
26            chopconf[3] = 0x16;
27            break;
28        case 2:
29            chopconf[3] = 0x17;
30            break;
31        case 0:
32            chopconf[3] = 0x18;
33            break;
34        default:
35            break;
36    }
37    chopconf[2] = 0x01;
38    chopconf[1] = 0x00;
39    chopconf[0] = 0x53;
40    tmc2209_uart_send(0x00, 0x6c, chopconf);
41#else
42    switch (step) {
43        case 8:
44            rt_pin_write(MS1_PIN, PIN_LOW);
45            rt_pin_write(MS2_PIN, PIN_LOW);
46            break;
47        case 16:
48            rt_pin_write(MS1_PIN, PIN_HIGH);
49            rt_pin_write(MS2_PIN, PIN_HIGH);
50            break;
51        case 32:
52            rt_pin_write(MS1_PIN, PIN_HIGH);
53            rt_pin_write(MS2_PIN, PIN_LOW);
54            break;
55        case 64:
56            rt_pin_write(MS1_PIN, PIN_LOW);
57            rt_pin_write(MS2_PIN, PIN_HIGH);
58            break;
59        default:
60            break;
61    }
62#endif
63}
64static int tmc2209_init(void)
65{
66    rt_thread_t tid;
67    rt_pin_mode(EN_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
68    rt_pin_write(EN_PIN, PIN_LOW);
69#ifdef USING_UART
70    rt_uint8_t general_conf[4] = {0x00};
71    if (my_uart_open("uart1", BAUD_RATE_115200) == RT_EOK)
72    {
73        tid = rt_thread_create("uart1_rx", uart1_rx_thread_entry, RT_NULL, 1024, 6, 10);
74        if (tid != RT_NULL)
75            rt_thread_startup(tid);
76    }  //open uart1
77    general_conf[3] = 0x00;
78    general_conf[2] = 0x00;
79    general_conf[1] = 0x00;
80    general_conf[0] = 0x81;
81    tmc2209_uart_send(0x00, 0x00, general_conf);
82    rt_thread_mdelay(500);
83#else
84    rt_pin_mode(MS1_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
85    rt_pin_mode(MS2_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
86#endif
87    rt_pin_mode(STEP_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
88    rt_pin_mode(DIR_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
89    micro_step_set(MICRO_STEP);
90    rt_pin_write(EN_PIN, PIN_HIGH);
91    hwtimer_init();
92    return 0;
93}
94INIT_APP_EXPORT(tmc2209_init);

4.2 PWM设置

这里采用了PWM（ART-Pi默认的PWM5通道1）来输出脉冲信号控制步进电机的转动速度，下面是使用函数：

 1int pwm_set(rt_uint32_t fre, rt_uint8_t duty_cycle)
 2{
 3    rt_uint32_t period = 0;
 4    rt_uint32_t pulse = 0;
 5    pwm_dev = (struct rt_device_pwm *)rt_device_find(PWM_DEV_NAME);
 6    if (pwm_dev == RT_NULL)
 7    {
 8        rt_kprintf("pwm sample run failed! can't find %s device!\n", PWM_DEV_NAME);
 9        return RT_ERROR;
10    }
11    period = 1000000000 / fre;
12    pulse = period * duty_cycle / 100;
13    /* 设置PWM周期和脉冲宽度默认值 */
14    rt_pwm_set(pwm_dev, PWM_DEV_CHANNEL, period, pulse);
15    /* 使能设备 */
16    rt_pwm_enable(pwm_dev, PWM_DEV_CHANNEL);
17    return 0;
18}

4.3 定时器配置

这里采用硬件定时器（ART-Pi默认TIM13，PS：settings虽然可以直接配置，但是cubemx默认没配置TIM13，所以直接使用还是不行，需要cubemx配置后才能使用）来控制PWM输出指定的脉冲数量，通过计算步进电机转动的角度所需要的脉冲个数，以及转动速度计算的脉冲时间，计算出定时器的计时时间，超时后停止PWM输出，并禁止TMC2209（不禁止的话电机会发热）。

 1#define HWTIMER_DEV_NAME   "timer13"     /* 定时器名称 */
 2/* 定时器超时回调函数 */
 3static rt_err_t timeout_cb(rt_device_t dev, rt_size_t size)
 4{
 5    rt_pwm_disable(pwm_dev, PWM_DEV_CHANNEL);//停止PWM输出
 6    rt_pin_write(EN_PIN, PIN_HIGH);//禁止TMC2209
 7    return 0;
 8}
 9int hwtimer_init(void)
10{
11    rt_err_t ret = RT_EOK;
12    rt_hwtimer_mode_t mode;         /* 定时器模式 */
13    rt_uint32_t freq = 1000000;               /* 计数频率 */
14    /* 查找定时器设备 */
15    hw_dev = rt_device_find(HWTIMER_DEV_NAME);
16    if (hw_dev == RT_NULL)
17    {
18        rt_kprintf("hwtimer sample run failed! can't find %s device!\n", HWTIMER_DEV_NAME);
19        return RT_ERROR;
20    }
21    /* 以读写方式打开设备 */
22    ret = rt_device_open(hw_dev, RT_DEVICE_OFLAG_RDWR);
23    if (ret != RT_EOK)
24    {
25        rt_kprintf("open %s device failed!\n", HWTIMER_DEV_NAME);
26        return ret;
27    }
28    /* 设置超时回调函数 */
29    rt_device_set_rx_indicate(hw_dev, timeout_cb);
30    /* 设置计数频率(若未设置该项，默认为1Mhz 或 支持的最小计数频率) */
31    rt_device_control(hw_dev, HWTIMER_CTRL_FREQ_SET, &freq);
32    /* 设置模式为周期性定时器（若未设置，默认是HWTIMER_MODE_ONESHOT）*/
33    mode = HWTIMER_MODE_ONESHOT;
34    ret = rt_device_control(hw_dev, HWTIMER_CTRL_MODE_SET, &mode);
35    if (ret != RT_EOK)
36    {
37        rt_kprintf("set mode failed! ret is :%d\n", ret);
38        return ret;
39    }
40    return ret;
41}
42int hwtimer_start(rt_hwtimerval_t timeout)
43{
44    if (rt_device_write(hw_dev, 0, &timeout, sizeof(timeout)) != sizeof(timeout))
45    {
46        rt_kprintf("set timeout value failed\n");
47        return RT_ERROR;
48    }
49    return RT_EOK;
50}

4.4 步进电机控制

这里采用了两种方式来输出脉冲及数量，一种是通过延时和翻转DIR管脚电平实现，一种是通过定时器和PWM来实现。

 1/*
 2dir：电机转动方向，0 正转；1 反转
 3speed：电机转动速度：0-300r/min，注意不同的电机最高转速不一样
 4angle：电机转动角度：°
 5*/
 6void turn_control(rt_uint8_t dir, rt_uint16_t speed, float_t angle)
 7{
 8    rt_uint32_t pulse_num = 0;//脉冲数量
 9    rt_uint16_t delay_time = 0;
10    rt_uint32_t pulse_fre = 0;//脉冲频率
11    rt_hwtimerval_t timeout_value;
12    float_t temp = 0.0;
13    temp = (angle / (360.0 / 200.0 / MICRO_STEP));
14    float_t t = 1000000 / ((360.0 / (360.0 / 200.0 / MICRO_STEP)) / 60.0 * speed);
15    pulse_num = temp;
16    delay_time = t / 2;
17    pulse_fre = 1000000 / t;
18    timeout_value.sec = 0;
19    timeout_value.usec = t * pulse_num;
20    //rt_kprintf("%d\n", pulse_num);
21    //rt_kprintf("%d\n", delay_time);
22    //rt_kprintf("%d\n", pulse_fre);
23    //rt_kprintf("%d\n", timeout_value.usec);
24    rt_pin_write(EN_PIN, PIN_LOW);
25    //设置电机转动方向
26    if(dir == 0)
27        rt_pin_write(DIR_PIN, PIN_HIGH);
28    if(dir == 1)
29        rt_pin_write(DIR_PIN, PIN_LOW);
30    pwm_set(pulse_fre, 50);//设置PWM频率并输出
31    hwtimer_start(timeout_value);//设置定时时间并启动定时器
32/*    for (int i = 0; i < pulse_num; ++i) {
33        rt_pin_write(STEP_PIN, PIN_LOW);
34        //rt_thread_mdelay(speed);
35        rt_hw_us_delay(delay_time);
36        rt_pin_write(STEP_PIN, PIN_HIGH);
37        //rt_thread_mdelay(speed);
38        rt_hw_us_delay(delay_time);
39    }
40    rt_pin_write(EN_PIN, PIN_HIGH);*/
41}

4.5 MSH控制台

这里把电机控制加入MSH指令，可以通过控制台来手动实现电机任意控制测试：

 1static void step_motor_turn(int argc, char**argv)
 2{
 3    if (argc < 3)
 4    {
 5        rt_kprintf("Please input'step_motor_turn direction speed angle'\n");
 6        return;
 7    }
 8    if (!rt_strcmp(argv[1], "forward"))
 9    {
10        turn_control(0, atof(argv[2]), atof(argv[3]));
11    }
12    else if (!rt_strcmp(argv[1], "reverse"))
13    {
14        turn_control(1, atoi(argv[2]), atof(argv[3]));
15    }
16    else
17    {
18        rt_kprintf("Please input'step_motor_turn direction speed angle'\n");
19    }
20}
21MSH_CMD_EXPORT(step_motor_turn, step_motor_turn );