ADI TMC2208 步进电机评估板 评测

sanbourn

ADI TMC2208 步进电机评估板 评测 [复制链接]

    非常感谢eeworld给了这次评测的机会，也是第一次写评测文章，之前一直都是读大佬的文章，这次献丑了。

    也非常感谢我们公司团队小伙伴的协助，自己很忙，绝大多数的工作都是小胡同学做的。

一、基本性能

    TMC2208具有低噪声、低振动的优点，是一款较为先进的步进电机驱动芯片，相较于我们之前用的A4988、DRV8825等芯片具有更高的精度和稳定性。如图1所示为TMC2208的接线方式。

图1 TMC2208实物引脚及实际接线图

    TMC2208支持多种驱动模式：UART模式、OTP模式以及STEP/DIR模式。其中前两种都是由UART传输指令和数据对芯片寄存器进行配置，实现电机驱动控制；STEP/DIR则通过传统的引脚控制，使用STEP控制无法实现256微步进控制，仅可以实现16分步控制，但是由于芯片内部集成的算法和相关功能，依旧可以实现低噪低振动电机驱动，STEP控制可以和UART相混合使用。

    表1所示为TMC2208基本性能，TMC2208支持256微步设置，逻辑电压可使用3.3V/5V，可支持负载供电电压为5.5-36V。在实际测试中，根据所使用电机要求，采用了3.3V逻辑电压以及24V的负载供电。

表1 TMC2208基本性能

类别	units	TMC2208
驱动电流	A	1.4(2)
逻辑电压	V	3.3/5
参考电压		2.5
负载供电		5.5-36
分步		256(16)
控制精度		0.007°
通信方式		uart（不支持寻址）

    该芯片在正常电机驱动情况下，通过UART设置最大驱动电流可设置为1.77A，理论长时间正常运转最大值为2A。但在实际正常工作情况下，为保证芯片以最佳性能的稳定运行，电流最大需要保持在1.4A左右的电流值，且需搭配良好的散热设计（包括PCB多层散热设计以及额外配备散热片等散热设备），如图2所示。

图2 添加散热片的TMC2208

    因实际测试的24电机支持相电流最大为1.2A，故测试中通过UART配置模式将驱动电流设置在0.94A，如图3所示。通过UART可以对芯片高低速运行时的算法进行设置，在低速时可以使用Stealthchop2算法保证低速静音，在高速时改为SpreadCycle抑制高速共振。BTW，我们这里使用了下面这个工具软件，链接Configurator for TMC220x | SilentStepStick | Watterott electronic，不过大佬应该就不需要了，这个uart配置也不难，就是稍微耗点时间。各位如果着急使用可以试试这个软件。

图3 UART设置电流参数

    TMC2208提供了众多的寄存器配置，在实际测试主要需要配置GCONF、Stealthchop寄存器。通过GCONF寄存器设置芯片为通过UART配置微步进数，在Stealthchop寄存器中可设置微步进数，如图4所示。

图4 UART微步设置

    如图5所示，通过示波器测试了输出的波形，两个绕组的电流存在相位差，由于设置了分步可以发现正弦波是由一个个小台阶组成，波形相对与A4988和DRV8825纹波更小（下文有两款的波形），故能够使电机以足够小的声音和振动进行转动。

图5　TMC2208输出波形

二、实际电机驱动性能

    公司里面电机比较多，手头的大部分都是淘宝上买的，应该都不是大厂的，随便拿了个电机试试。

    通过对32分步和256分步下的TMC2208的运动情况进行了测试，结果如表2所示。可以发现，在32分步下旋转100圈均未发生失步现象，在256设置下多次运转10或20圈同样未出现失步现象。此外，为测试更精确的控制能力，在256微步设置下，驱动电机运转7个微步时，出现0.005°的误差，原因在于过小的旋转步距导致驱动电流难以精准的控制电机的运转。尽管在较小的驱动角度下，但是依旧证明了TMC2208芯片具有很高的控制精度和稳定的驱动性能。

表2　TMC2208电机驱动控制

 

分步	运行圈数	初始位置	终止位置	误差	备注
32	100rat	103.117°	103.117°	0	每圈间隔5S
256	10/20rat	128.847°	128.847°	0	每圈间隔3S
	0.049°（7步）	132.099°	132.143°	0.005°	每圈间隔3S

    此外，通过对TMC2208的不同程度分步设置和转速下的运转情况进行了测试，结果如表3所示。

表3　不同分步下电机运转情况

微步设置	频率	速度	噪音	温度	振动
2	500Hz	37.5r/min	42dB以下	-	无
4	500Hz	37.5r/min	42dB以下	-	无
8	625Hz	23.4375r/min	45dB以下	35.1°	无
	1kHz	37.5r/min			无
	2.5kHz	93.75r/min	45dB		小
16	1kHz	18.75r/min	-	33.5°	无
	1666.6Hz	31.25r/min	-		无
	2.5kHz	46.875r/min	40dB		较小
	5kHz	93.75r/min	-		小
32	5kHz	46.875r/min	42dB以下	34.5°	无
	10kHz	93.75r/min	52db	37.7°	明显
64	10kHz	46.875r/min	42dB以下	-	无
128	10kHz	23.4375r/min	42dB以下	-	无
256	20kHz	23.4375r/min	42dB以下	33.4°	小
	50kHz	58.59375r/min		33.5°	无
-	-	-	整体42dB以下	37.7(max)	整体小

    根据表3及图6所示结果可知，驱动电机整体噪声小于42dB，且存在设备限制和环境噪声影响，实际产生噪声应小于这一数值。TMC2208所集成的Stealthchop2技术，在实际的驱动中速度越低所发出的噪声越小，且具有更加稳定的状态，造成的振动也最小，反而在低速范围内随着速度的升高会使噪声和振动增加。此外，整体的芯片温度经过长时间的运转后最终温度并不高，仅为37.7°。

图6 TMC2208驱动 电机运行噪声结果

    在整体的测试中，TMC2208相较于A4988等芯片明显具备更加优异的性能。TMC2208在实际驱动中具备更小的噪声和振动，更高的驱动精度，支持UART和STEP/DIR以及OTP三种控制模式，更加灵活且具备更丰富的功能，能够适用于要求更加苛刻的场景。

    手头还有TMC2209、DRV8825和A4988的板子，顺便把测试图也放一下，可以简单对比一下。

 

 

图7 TMC2209输出波形

 

 

图8 DRV8825输出波形

表4 DRV8825不同分步驱动电机状况

分步	频率	转速	噪声	振动
2分步	1khz	150r/min	56dB	小
	1333.33Hz	200r/min	54db	较大
16分步	1666.6Hz	31.25r/min	60db	较小
	5kHz	93.75r/min	51db	略大
32分步	5kHz	46.875r/min	58db	较小
	10kHz	93.75r/min	50db	小

 

 

图9  A4988输出波形

表5 A4988驱动电机噪声振动对比

分步	频率	转速	噪声	振动
全步	250Hz	75r/min	58db	大
	500Hz	150r/min	50db	较大
16分步	1666.6Hz	31.25r/min	-	小
	2.5kHz	46.875r/min	60db	较大

三、总结

    在整体的测试中，TMC2208相较于DRV8825、A4988等芯片明显具备更加优异的性能。TMC2208在实际驱动中具备更小的噪声和振动，更高的驱动精度，支持UART和STEP/DIR以及OTP三种控制模式，更加灵活且具备更丰富的功能，能够适用于驱动要求更加苛刻的场景。

cemfbjs

感谢楼主分享，写的很详细，正在学习相关知识，下载来好好学习

m9wo

楼主,我看你在的配置中也没有使能SpreadCycle，我在使用SpreadCycle时能明显听到电流声，你有没有遇到呢？还是我的使用方式不对？

ruyi1pei2003

哪里拿到评估版

sanbourn

m9wo 发表于 2024-8-23 16:54 楼主,我看你在的配置中也没有使能SpreadCycle，我在使用SpreadCycle时能明显听到电流声，你有没有遇到呢？ ...

没有遇到呀

sanbourn

ruyi1pei2003 发表于 2024-8-24 20:22 哪里拿到评估版

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