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Art-Pi +TMC2209步进电机细分控制

发布于 2023-12-09 12:00:07 浏览：1758 订阅该版

[tocm]

# 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](https://club.rt-thread.org/ask/article/f8d36833ab3fc6c5.html "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：

| TMC2209  | ART-Pi  | TMC2209  | others  |
| :------------: | :------------: | :------------: | :------------: |
| EN  | PH13  | VM  | 12V+  |
| MS1  | PH14  | GND  | 12V-  |
| MS2  | PH15  | M1B  | motor_A-  |
| PDN  | PA9/PA10  | M1A  | motor_A+  |
| USART  | /  | M2A  | motor_B+  |
| CLK  |  / | M2B  | motor_B-  |
| STEP  | PH10  | VIO  | 3.3V  |
| DIR  |  PH11 | GND  | GND  |
# 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
![1.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20231209/64640736c37e348f36a0c2794956a4a6.png.webp)
## 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.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20231209/cefb935126109e9d1f29069b97889189.png.webp)
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；
![3.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20231215/ef0efc86d3b1ef9399242a4c428f4263.png.webp)
e）报文格式，参照芯片手册：
![1.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20231215/2f7d8649c31f31f7661f6ed93b89eb86.png.webp)
CRC校验码，可以直接使用手册里的代码即可
![2.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20231215/2053df21622136edcf3302feca7a98b9.png.webp)
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

```c
//微步设置
void micro_step_set(rt_uint8_t step)
{
#ifdef USING_UART
    rt_uint8_t chopconf[4] = {0};

switch (step) {
        case 256:
            chopconf[3] = 0x10;
            break;
        case 128:
            chopconf[3] = 0x11;
            break;
        case 64:
            chopconf[3] = 0x12;
            break;
        case 32:
            chopconf[3] = 0x13;
            break;
        case 16:
            chopconf[3] = 0x14;
            break;
        case 8:
            chopconf[3] = 0x15;
            break;
        case 4:
            chopconf[3] = 0x16;
            break;
        case 2:
            chopconf[3] = 0x17;
            break;
        case 0:
            chopconf[3] = 0x18;
            break;
        default:
            break;
    }
    chopconf[2] = 0x01;
    chopconf[1] = 0x00;
    chopconf[0] = 0x53;
    tmc2209_uart_send(0x00, 0x6c, chopconf);
#else
    switch (step) {
        case 8:
            rt_pin_write(MS1_PIN, PIN_LOW);
            rt_pin_write(MS2_PIN, PIN_LOW);
            break;
        case 16:
            rt_pin_write(MS1_PIN, PIN_HIGH);
            rt_pin_write(MS2_PIN, PIN_HIGH);
            break;
        case 32:
            rt_pin_write(MS1_PIN, PIN_HIGH);
            rt_pin_write(MS2_PIN, PIN_LOW);
            break;
        case 64:
            rt_pin_write(MS1_PIN, PIN_LOW);
            rt_pin_write(MS2_PIN, PIN_HIGH);
            break;
        default:
            break;
    }
#endif
}

static int tmc2209_init(void)
{
    rt_thread_t tid;

rt_pin_mode(EN_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
    rt_pin_write(EN_PIN, PIN_LOW);
#ifdef USING_UART
    rt_uint8_t general_conf[4] = {0x00};
    if (my_uart_open("uart1", BAUD_RATE_115200) == RT_EOK)
    {
        tid = rt_thread_create("uart1_rx", uart1_rx_thread_entry, RT_NULL, 1024, 6, 10);
        if (tid != RT_NULL)
            rt_thread_startup(tid);
    }  //open uart1

general_conf[3] = 0x00;
    general_conf[2] = 0x00;
    general_conf[1] = 0x00;
    general_conf[0] = 0x81;

tmc2209_uart_send(0x00, 0x00, general_conf);
    rt_thread_mdelay(500);
#else
    rt_pin_mode(MS1_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
    rt_pin_mode(MS2_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
#endif
    rt_pin_mode(STEP_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
    rt_pin_mode(DIR_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
    micro_step_set(MICRO_STEP);

rt_pin_write(EN_PIN, PIN_HIGH);

hwtimer_init();
    return 0;
}
INIT_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：

```c
int pwm_set(rt_uint32_t fre, rt_uint8_t duty_cycle)
{
    rt_uint32_t period = 0;
    rt_uint32_t pulse = 0;

pwm_dev = (struct rt_device_pwm *)rt_device_find(PWM_DEV_NAME);
    if (pwm_dev == RT_NULL)
    {
        rt_kprintf("pwm sample run failed! can't find %s device!\n", PWM_DEV_NAME);
        return RT_ERROR;
    }
    period = 1000000000 / fre;

pulse = period * duty_cycle / 100;

/* 设置PWM周期和脉冲宽度默认值 */
    rt_pwm_set(pwm_dev, PWM_DEV_CHANNEL, period, pulse);
    /* 使能设备 */
    rt_pwm_enable(pwm_dev, PWM_DEV_CHANNEL);

return 0;
}
```
## 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）。

```c
#define HWTIMER_DEV_NAME   "timer13"     /* 定时器名称 */

/* 定时器超时回调函数 */
static rt_err_t timeout_cb(rt_device_t dev, rt_size_t size)
{
    rt_pwm_disable(pwm_dev, PWM_DEV_CHANNEL);//停止PWM输出
    rt_pin_write(EN_PIN, PIN_HIGH);//禁止TMC2209

return 0;
}

int hwtimer_init(void)
{
    rt_err_t ret = RT_EOK;
    rt_hwtimer_mode_t mode;         /* 定时器模式 */
    rt_uint32_t freq = 1000000;               /* 计数频率 */

/* 查找定时器设备 */
    hw_dev = rt_device_find(HWTIMER_DEV_NAME);
    if (hw_dev == RT_NULL)
    {
        rt_kprintf("hwtimer sample run failed! can't find %s device!\n", HWTIMER_DEV_NAME);
        return RT_ERROR;
    }

/* 以读写方式打开设备 */
    ret = rt_device_open(hw_dev, RT_DEVICE_OFLAG_RDWR);
    if (ret != RT_EOK)
    {
        rt_kprintf("open %s device failed!\n", HWTIMER_DEV_NAME);
        return ret;
    }

/* 设置超时回调函数 */
    rt_device_set_rx_indicate(hw_dev, timeout_cb);

/* 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) */
    rt_device_control(hw_dev, HWTIMER_CTRL_FREQ_SET, &freq);
    /* 设置模式为周期性定时器（若未设置，默认是HWTIMER_MODE_ONESHOT）*/
    mode = HWTIMER_MODE_ONESHOT;
    ret = rt_device_control(hw_dev, HWTIMER_CTRL_MODE_SET, &mode);
    if (ret != RT_EOK)
    {
        rt_kprintf("set mode failed! ret is :%d\n", ret);
        return ret;
    }
    return ret;
}
int hwtimer_start(rt_hwtimerval_t timeout)
{
    if (rt_device_write(hw_dev, 0, &timeout, sizeof(timeout)) != sizeof(timeout))
    {
        rt_kprintf("set timeout value failed\n");
        return RT_ERROR;
    }
    return RT_EOK;
}

```
## 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。
```c
/*
dir：电机转动方向，0 正转；1 反转
speed：电机转动速度：0-300r/min，注意不同的电机最高转速不一样
angle：电机转动角度：°
*/
void turn_control(rt_uint8_t dir, rt_uint16_t speed, float_t angle)
{
    rt_uint32_t pulse_num = 0;//脉冲数量
    rt_uint16_t delay_time = 0;
    rt_uint32_t pulse_fre = 0;//脉冲频率
    rt_hwtimerval_t timeout_value;
	
    float_t temp = 0.0;
    temp = (angle / (360.0 / 200.0 / MICRO_STEP));
    float_t t = 1000000 / ((360.0 / (360.0 / 200.0 / MICRO_STEP)) / 60.0 * speed);

pulse_num = temp;
    delay_time = t / 2;
    pulse_fre = 1000000 / t;
    timeout_value.sec = 0;
    timeout_value.usec = t * pulse_num;

//rt_kprintf("%d\n", pulse_num);
    //rt_kprintf("%d\n", delay_time);
    //rt_kprintf("%d\n", pulse_fre);
    //rt_kprintf("%d\n", timeout_value.usec);
    rt_pin_write(EN_PIN, PIN_LOW);
    //设置电机转动方向
	if(dir == 0)
        rt_pin_write(DIR_PIN, PIN_HIGH);
    if(dir == 1)
        rt_pin_write(DIR_PIN, PIN_LOW);

pwm_set(pulse_fre, 50);//设置PWM频率并输出
    hwtimer_start(timeout_value);//设置定时时间并启动定时器

/*    for (int i = 0; i < pulse_num; ++i) {
        rt_pin_write(STEP_PIN, PIN_LOW);
        //rt_thread_mdelay(speed);
        rt_hw_us_delay(delay_time);
        rt_pin_write(STEP_PIN, PIN_HIGH);
        //rt_thread_mdelay(speed);
        rt_hw_us_delay(delay_time);
    }
    rt_pin_write(EN_PIN, PIN_HIGH);*/
}
```
## 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：

```c
static void step_motor_turn(int argc, char**argv)
{
    if (argc < 3)
    {
        rt_kprintf("Please input'step_motor_turn direction speed angle'\n");
        return;
    }

if (!rt_strcmp(argv[1], "forward"))
    {
        turn_control(0, atof(argv[2]), atof(argv[3]));
    }
    else if (!rt_strcmp(argv[1], "reverse"))
    {
        turn_control(1, atoi(argv[2]), atof(argv[3]));
    }
    else
    {
        rt_kprintf("Please input'step_motor_turn direction speed angle'\n");
    }
}
MSH_CMD_EXPORT(step_motor_turn, step_motor_turn );
```
# 5.总结
电机的转动确实非常安静，完全听不到声音，在低速控制时转动也比较平滑，完全感受不到振动。性价比不错，有需要做步进电机控制的小伙伴可以参考使用。
附上TMC2209的源码文件（更新UART后的源码）
[tmc2209.c](https://club.rt-thread.org/file_download/aa5599ad6474f144)