基于TMC4361A与TMC2160的步进电机控制系统项目总结报告

一、项目描述

1.1 项目介绍

本项目旨在开发一个基于TMC4361A运动控制器和TMC2160步进电机驱动器的电机控制系统，通过MicroPython编程实现对步进电机的精确控制。系统实现了定速旋转、指定角度旋转、指定圈数旋转以及正反转切换等核心功能.

TMC4361A是一款高性能运动控制器，支持多种运动模式，包括速度模式和位置模式，能够实现精确的速度和位置控制。TMC2160则是功能强大的步进电机驱动芯片，具有StealthChop2静音技术和SpreadCycle技术，能够在不同工况下提供出色的电机性能。

本项目采用模块化设计思想，将硬件控制、运动逻辑和用户交互分离，通过面向对象的方式构建了完整的电机控制系统架构。系统支持实时速度调节和精确定位，具有良好的可扩展性和易用性。

1.2 设计思路

本项目的整体设计遵循"分层解耦、模块化实现"的原则，主要包含以下几个层次：

硬件抽象层：设计通用的SPI通信类，封装底层SPI通信协议，提供统一的寄存器读写接口。这一层屏蔽了具体的硬件通信细节，为上层提供标准化的数据传输服务。

驱动控制层：分别实现TMC2160驱动器和TMC4361A控制器的封装类。TMC2160类负责电机驱动器的初始化和配置，包括电流设置、微步控制等；TMC4361A类负责运动控制逻辑，包括速度模式、位置模式的切换和运动参数配置。

系统接口层：设计MotorSystem类作为系统的统一接口，整合驱动器和控制器的功能，提供简洁易用的API，如speed()、angle()、turn()等方法，隐藏底层实现细节。

用户交互层：通过命令行接口实现用户与系统的交互，支持简单的命令解析和参数处理，使用户能够方便地测试和控制电机运动。

二、硬件介绍

2.1 硬件平台

本系统采用以下硬件平台：

• 主控制器：RP2040
• 运动控制器：TMC4361A-BOB评估板
• 电机驱动器：TMC2160-BOB评估板
• 执行机构：步进电机（标准200步/圈，支持256微步）

2.2 TMC4361A运动控制器

TMC4361A是一款高度集成的运动控制器，具有以下特点：

• 支持多种运动模式：速度模式、位置模式、斜坡发生器模式
• 内置加速和减速斜坡发生器，可实现平滑的运动曲线
• 支持24位位置计数器和32位速度设定
• 通过SPI接口进行配置和控制
• 内置编码器接口（本项目中未使用）

TMC4361A的核心寄存器包括：

• 0x00（GLOBAL_CONFIG）：全局配置寄存器
• 0x20（RAMP_MODE）：运动模式选择（0x00=速度模式，0x04=位置模式）
• 0x21（X_ACTUAL）：当前实际位置寄存器
• 0x24（V_MAX）：最大速度寄存器
• 0x28（A_MAX）：最大加速度寄存器
• 0x37（X_TARGET）：目标位置寄存器

2.3 TMC2160电机驱动器

TMC2160是一款高性能步进电机驱动芯片，主要特性包括：

• 支持高达46V的电机电压和4.5A的相电流
• StealthChop2静音技术：在低速时实现几乎静音的电机运行
• SpreadCycle技术：在高速时提供高精度的电流控制
• 支持256微步分辨率
• StallGuard2无传感器堵转检测
• CoolStep动态电流调节，降低功耗

TMC2160的关键配置寄存器：

• 0x00（GCONF）：全局配置寄存器
• 0x10（IHOLD_IRUN）：电流控制寄存器（运行电流和保持电流）
• 0x6C（CHOPCONF）：斩波配置寄存器

2.4 硬件连接

系统通过SPI总线连接各个模块：

• SPI时钟（SCK）：连接到GPIO 18
• SPI主机输出从机输入（MOSI）：连接到GPIO 19
• SPI主机输入从机输出（MISO）：连接到GPIO 16
• TMC2160片选（CS_DRV）：连接到GPIO 17
• TMC4361A片选（CS_CTRL）：连接到GPIO 0
• 时钟输出（CLK）：连接到GPIO 15，输出16MHz参考时钟

SPI通信参数：波特率1Mbps，极性=1，相位=1（CPOL=1，CPHA=1）

三、软件设计

3.1 系统架构

系统采用三层架构设计：

┌─────────────────────────────────────┐
│      用户交互层 (Main Loop)          │
│  命令解析 -> 参数处理 -> 调用接口     │
└─────────────────────────────────────┘
                 ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│      系统接口层 (MotorSystem)        │
│  speed(), angle(), turn() 统一接口    │
└─────────────────────────────────────┘
                 ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│   控制层 (TMC4361A)  │ 驱动层 (TMC2160) │
│  运动模式管理      │ 电机驱动配置      │
└─────────────────────────────────────┘
                 ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│      硬件抽象层 (TMC_SPI_Device)     │
│  SPI通信、寄存器读写、数据转换        │
└─────────────────────────────────────┘
                 ↓
┌─────────────────────────────────────┐
│          硬件层                     │
│  TMC4361A, TMC2160, 步进电机         │
└─────────────────────────────────────┘

3.2 软件流程图

主程序流程图

开始
  ↓
初始化SPI和GPIO
  ↓
创建MotorSystem实例
  ↓
等待用户输入
  ↓
解析命令 (v/a/t/stop/exit)
  ↓
    ├─ v: 速度模式 → 设置VMAX
    ├─ a: 角度模式 → 计算目标位置
    ├─ t: 圈数模式 → 计算目标位置
    ├─ stop: 停止 → 设置VMAX=0
    └─ exit: 退出 → 程序结束
  ↓
返回等待输入

速度模式控制流程

调用speed(rps)
  ↓
设置RAMP_MODE = 0x00 (速度模式)
  ↓
计算速度值: vel = rps × 51200 × 256
  ↓
处理负速度（使用补码表示）
  ↓
写入VMAX寄存器 (0x24)
  ↓
电机以指定速度持续旋转

位置模式控制流程

调用move_relative(delta_steps)
  ↓
设置VMAX = 0 (安全停止)
  ↓
设置RAMP_MODE = 0x04 (位置模式)
  ↓
读取当前实际位置X_ACTUAL (0x21)
  ↓
计算目标位置: target = current + delta
  ↓
写入X_TARGET寄存器 (0x37)
  ↓
恢复VMAX = 51200 << 8 (设定运行速度)
  ↓
电机运动到目标位置后自动停止

3.3 核心代码实现及说明

3.3.1 SPI通信基础类

class TMC_SPI_Device:
    def __init__(self, spi, cs_pin):
        self.spi = spi
        self.cs = machine.Pin(cs_pin, machine.Pin.OUT, value=1)
        self.buf = bytearray(5)
​
    def _transfer(self, address, value=0, write=False):
        addr_byte = (address & 0x7F) | (0x80 if write else 0x00)
        self.buf[0] = addr_byte
        self.buf[1] = (value >> 24) & 0xFF
        self.buf[2] = (value >> 16) & 0xFF
        self.buf[3] = (value >> 8) & 0xFF
        self.buf[4] = value & 0xFF
        self.cs.low()
        receive_buf = bytearray(5)
        self.spi.write_readinto(self.buf, receive_buf)
        self.cs.high()
        return (receive_buf[1] << 24) | (receive_buf[2] << 16) | 
               (receive_buf[3] << 8) | receive_buf[4]

代码说明：

• 这是基础的SPI通信类，封装了与TMC芯片的通信协议
• _transfer方法实现了完整的5字节SPI传输协议
• 第一个字节为地址字节，bit7表示读/写操作（1=写，0=读）
• 后续4字节为32位数据（大端格式）
• 使用write_readinto同时发送数据和接收响应

3.3.2 TMC2160驱动器初始化

class TMC2160(TMC_SPI_Device):
    def __init__(self, spi, cs_pin):
        super().__init__(spi, cs_pin)
        self.init_driver()
​
    def init_driver(self):
        self.write_reg(0x00, 0x00000008)
        self.write_reg(0x10, 0x000A0506)
        self.write_reg(0x6C, 0x000100C3)

代码说明：

• 0x00 (GCONF = 0x00000008)：使能位置使能（shaft）位，允许电机转动
• 0x10 (IHOLD_IRUN = 0x000A0506)：
• • IHOLD（保持电流）= 6，节省能耗
  • IRUN（运行电流）= 10（约31%最大电流），提供足够扭矩
  • IHOLDDELAY（保持电流延迟）= 5，电机停止后逐步降低电流
• 0x6C (CHOPCONF = 0x000100C3)：
• • 使能StealthChop2静音模式
  • 配置微步为256细分，提高分辨率
  • 设置斩波参数，优化电机运行质量

3.3.3 TMC4361A速度控制实现

def rotate_constant(self, rps):
    """速度模式：rps为正负表示方向"""
    # 设置为速度模式
    self.write_reg(0x20, 0x00000000)
    
    # 计算速度：每秒脉冲数 × 2^8
    # 1 RPS = 51200 脉冲/秒
    vel = int(rps * 51200 * 256)
    
    # 处理负速度（使用补码表示）
    if vel < 0:
        vel = (0xFFFFFFFF + vel + 1) & 0xFFFFFFFF
        
    self.write_reg(0x24, vel)

代码说明：

• 速度模式通过RAMP_MODE=0x00设置
• 速度计算公式：vel = rps × 51200 × 256
• • 51200 = 200步/圈 × 256微步
  • 256 = TMC4361A内部小数部分精度（24+8位格式）
• 负速度使用补码表示，这是标准的32位有符号数表示方法
• 写入VMAX寄存器后，电机将以指定速度持续旋转

3.3.4 TMC4361A位置控制实现

def move_relative(self, delta_steps):
    """位置模式：delta_steps为脉冲数"""
    # 1. 停止当前运动（安全措施）
    self.write_reg(0x24, 0)
    
    # 2. 切换到位置模式
    self.write_reg(0x20, 0x00000004)
    
    # 3. 读取当前位置
    current_pos = self.read_reg(0x21)
    if current_pos & 0x80000000:
        current_pos -= 0x100000000
        
    # 4. 设置目标位置
    target = current_pos + int(delta_steps)
    self.write_reg(0x37, target)
    
    # 5. 恢复速度（允许运动）
    self.write_reg(0x24, 51200 << 8)

代码说明：

• 步骤1：先将VMAX设为0，确保电机停止，避免模式切换时的冲击
• 步骤2：设置RAMP_MODE=0x04，进入位置模式
• 步骤3：读取X_ACTUAL寄存器获取当前位置
• • 处理有符号32位数的转换（最高位为1表示负数）
• 步骤4：计算并写入X_TARGET寄存器，设定目标位置
• • 相对运动：目标 = 当前 + 增量
• 步骤5：恢复VMAX值，触发电机运动
• • 默认速度约为1 RPS（51200 << 8）
  • 电机将按照配置的加速度曲线运动到目标位置

3.3.5 MotorSystem系统接口

class MotorSystem:
    def __init__(self, clk_pin=15, sck=18, mosi=19, miso=16, 
                 cs_drv=17, cs_ctrl=0):
        self.clk = machine.PWM(machine.Pin(clk_pin))
        self.clk.freq(16000000) 
        self.clk.duty_u16(32768)  # 50%占空比
        self.spi = machine.SPI(0, baudrate=1000000, polarity=1, 
                               phase=1, sck=machine.Pin(sck), 
                               mosi=machine.Pin(mosi), miso=machine.Pin(miso))
        self.driver = TMC2160(self.spi, cs_pin=cs_drv)
        self.controller = TMC4361A(self.spi, cs_pin=cs_ctrl)
        self.steps_per_rev = 51200  # 200 × 256
​
    def speed(self, val): 
        """速度模式：val为RPS"""
        self.controller.rotate_constant(val)
    
    def angle(self, val): 
        """角度模式：val为度数"""
        self.controller.move_relative((val/360)*self.steps_per_rev)
    
    def turn(self, val): 
        """圈数模式：val为圈数"""
        self.controller.move_relative(val*self.steps_per_rev)

代码说明：

• 初始化：
• • 配置16MHz时钟输出，为TMC芯片提供参考时钟
  • 配置SPI接口，CPOL=1，CPHA=1（SPI模式3）
  • 初始化TMC2160驱动器和TMC4361A控制器
  • 定义每圈步数为51200（200步×256微步）
• speed(val)：
• • 输入参数单位：RPS（每秒转数）
  • 正值表示顺时针旋转，负值表示逆时针旋转
  • 直接调用控制器的速度模式方法
• angle(val)：
• • 输入参数单位：度数
  • 自动将角度转换为脉冲数：脉冲 = (角度/360) × 每圈步数
  • 支持正负角度（正角度顺时针，负角度逆时针）
• turn(val)：
• • 输入参数单位：圈数
  • 自动将圈数转换为脉冲数：脉冲 = 圈数 × 每圈步数
  • 支持正负圈数（正数顺时针，负数逆时针）

3.3.6 用户交互主程序

try:
    motor = MotorSystem()
    print("System Online. Format: <v/a/t> <value>")
    while True:
        raw = input(">> ").strip().lower().split()
        if not raw: continue
        cmd, val = raw[0], float(raw[1]) if len(raw)>1 else 0
        
        if cmd == 'v': 
            motor.speed(val)
            print(f"V-Mode: {val} RPS")
        elif cmd == 'a': 
            motor.angle(val)
            print(f"P-Mode: {val} deg")
        elif cmd == 't': 
            motor.turn(val)
            print(f"P-Mode: {val} turns")
        elif cmd == 'stop': 
            motor.controller.stop()
            print("Stopped.")
        elif cmd == 'exit': 
            break
except Exception as e:
    print(f"Error: {e}")

代码说明：

• 命令格式：<命令> <数值>
• 支持的命令：
• • v <RPS>：速度模式，电机以指定RPS持续旋转
  • a <度数>：角度模式，电机旋转指定角度后停止
  • t <圈数>：圈数模式，电机旋转指定圈数后停止
  • stop：立即停止电机运动
  • exit：退出程序

具体效果展示参考b站视频