Art-Pi+TMC2209步进电机细分控制测试

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USART口进行配置，具体如下：

（测试中，测试完完善进来）

4.程序代码

4.1 TMC2209初始化

//硬件微步设置
void micro_step_set(rt_uint8_t step)
{
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;
}
}
static int tmc2209_init(void)
{
rt_pin_mode(EN_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
rt_pin_mode(MS1_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
rt_pin_mode(MS2_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
rt_pin_mode(STEP_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
rt_pin_mode(DIR_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
rt_pin_write(EN_PIN, PIN_LOW);
micro_step_set(MICRO_STEP);
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：

int pwm_set(rt_uint16_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）。

#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 :%dn", 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 failedn");
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。

/*
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_uint16_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("%dn", pulse_num);
//rt_kprintf("%dn", delay_time);
//rt_kprintf("%dn", pulse_fre);
//rt_kprintf("%dn", 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：

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。