TMC2209 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中文手冊(cè)

1. 概述與核心特性

TMC2209是一款由Trinamic公司（現(xiàn)在是ADI的一部分）推出的超靜音步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，專(zhuān)為對(duì)噪音和效率有高要求的應(yīng)用設(shè)計(jì)。它集成了先進(jìn)的靜音技術(shù)和強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力，使其在3D打印、桌面CNC、醫(yī)療設(shè)備以及其他需要精確運(yùn)動(dòng)控制的領(lǐng)域中備受青睞。TMC2209的突出特點(diǎn)是其創(chuàng)新的靜音技術(shù)，如StealthChop2?，它能顯著降低步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)的噪音和振動(dòng)，提供流暢、安靜的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。此外，SpreadCycle?斬波器模式則優(yōu)化了高速運(yùn)行時(shí)的性能，確保電機(jī)在各種速度下都能保持高效和穩(wěn)定。

TMC2209還內(nèi)置了CoolStep?技術(shù)，這是一種智能電流控制算法，能夠根據(jù)電機(jī)負(fù)載自動(dòng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流，從而在保證電機(jī)正常工作的同時(shí)，最大限度地減少能量損耗和芯片發(fā)熱。這不僅提高了系統(tǒng)的整體效率，也延長(zhǎng)了驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的使用壽命。而StallGuard4?無(wú)傳感器堵轉(zhuǎn)檢測(cè)功能則是一項(xiàng)突破性的創(chuàng)新，它允許系統(tǒng)在不使用外部限位開(kāi)關(guān)的情況下檢測(cè)電機(jī)是否發(fā)生堵轉(zhuǎn)。這項(xiàng)功能對(duì)于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)歸位、防止步進(jìn)丟失以及提高系統(tǒng)安全性至關(guān)重要，特別是在3D打印機(jī)中，它能夠有效防止因噴嘴堵塞或機(jī)械干涉導(dǎo)致的打印失敗。TMC2209支持高達(dá)1/256微步，提供了極高的運(yùn)動(dòng)平滑度和精度，這對(duì)于需要精細(xì)定位的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。其最大峰值電流可達(dá)2.8A，連續(xù)電流為2A，足以驅(qū)動(dòng)大多數(shù)NEMA 17和NEMA 23步進(jìn)電機(jī)。芯片內(nèi)置的溫度關(guān)斷和過(guò)流保護(hù)功能也進(jìn)一步增強(qiáng)了其可靠性和安全性。

2. 引腳定義與功能

理解TMC2209的引腳定義是正確連接和配置驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)。TMC2209通常采用QFN封裝，其引腳數(shù)量相對(duì)較多，但功能劃分清晰，主要可以分為電源引腳、電機(jī)輸出引腳、邏輯控制引腳和串行通信引腳。

• 電源引腳 (VM, VIO, GND):

• VM (Motor Voltage): 電機(jī)電源輸入，通常連接到12V或24V的直流電源，為步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電流。這個(gè)電壓范圍對(duì)于大多數(shù)3D打印機(jī)和小型CNC設(shè)備來(lái)說(shuō)都是適用的。

• VIO (Logic Voltage): 邏輯電源輸入，通常為3.3V或5V，為芯片內(nèi)部的邏輯電路供電。務(wù)必確保VIO的電壓與微控制器（如Arduino、ESP32等）的邏輯電平相匹配，以避免損壞芯片或?qū)е峦ㄐ女惓！?/span>

• GND (Ground): 接地引腳，芯片的公共參考地。

• 電機(jī)輸出引腳 (OUT1A, OUT1B, OUT2A, OUT2B):

• 這些引腳直接連接到步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)線圈。OUT1A和OUT1B連接一個(gè)線圈，OUT2A和OUT2B連接另一個(gè)線圈。在連接時(shí)，需要特別注意電機(jī)的相序，錯(cuò)誤的連接會(huì)導(dǎo)致電機(jī)不正常工作甚至損壞。

• 邏輯控制引腳 (DIR, STEP, EN, MS1/MS2):

• DIR (Direction): 方向控制引腳，高電平或低電平控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。通常一個(gè)電平代表順時(shí)針，另一個(gè)電平代表逆時(shí)針。

• STEP (Step Pulse): 步進(jìn)脈沖輸入引腳，每接收到一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)移動(dòng)一個(gè)微步。脈沖的頻率決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

• EN (Enable): 使能引腳，通常為低電平有效，用于啟用或禁用驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)EN為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)器被禁用，電機(jī)將失去力矩并可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)EN為低電平（或懸空，具體取決于模塊設(shè)計(jì)）時(shí)，驅(qū)動(dòng)器啟用，電機(jī)被鎖定。

• MS1, MS2 (Microstep Selection): 微步選擇引腳。TMC2209在獨(dú)立模式下，可以通過(guò)這些引腳的組合來(lái)選擇預(yù)設(shè)的微步分辨率（如1/2、1/4、1/8、1/16等）。在UART模式下，這些引腳的功能可以被UART配置覆蓋，允許更精細(xì)的微步設(shè)置（最高1/256）。

• 串行通信引腳 (UART_TX, UART_RX):

• UART_TX (Transmit): 串口數(shù)據(jù)發(fā)送引腳。

• UART_RX (Receive): 串口數(shù)據(jù)接收引腳。

• 這些引腳用于TMC2209與微控制器之間的UART（通用異步收發(fā)傳輸器）通信。通過(guò)UART接口，可以動(dòng)態(tài)配置TMC2209的各種高級(jí)功能，包括電流設(shè)置、微步分辨率、靜音模式切換、堵轉(zhuǎn)檢測(cè)靈敏度以及讀取芯片狀態(tài)寄存器等。這種通信方式極大地增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)器的可編程性和靈活性。

3. 工作模式：獨(dú)立模式與UART模式

TMC2209提供了兩種主要的工作模式，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求和復(fù)雜度：獨(dú)立模式（Standalone Mode）和UART模式（Serial Mode）。理解這兩種模式的區(qū)別和適用場(chǎng)景，對(duì)于正確使用TMC2209至關(guān)重要。

3.1 獨(dú)立模式 (Standalone Mode)

獨(dú)立模式是TMC2209最基本的配置方式，也是許多初學(xué)者或?qū)δ芤蟛桓叩膽?yīng)用的首選。在這種模式下，TMC2209的所有核心功能都通過(guò)硬件引腳的連接和電平設(shè)置來(lái)控制，無(wú)需額外的軟件通信。

• 配置方式：在獨(dú)立模式下，用戶(hù)主要通過(guò)以下幾種方式來(lái)配置TMC2209：

• 微步選擇： 通過(guò)MS1和MS2引腳的連接狀態(tài)（高電平、低電平或懸空）來(lái)設(shè)置預(yù)定義的微步分辨率，例如1/2、1/4、1/8、1/16等。某些TMC2209模塊可能省略了MS1/MS2引腳，而是通過(guò)板載跳線或預(yù)設(shè)電阻來(lái)固定微步，最常見(jiàn)的獨(dú)立模式下是1/16微步。

• 電流設(shè)置： 驅(qū)動(dòng)電流通常通過(guò)調(diào)節(jié)模塊上一個(gè)可變電阻（電位器）來(lái)實(shí)現(xiàn)。用戶(hù)可以使用萬(wàn)用表測(cè)量參考電壓（VREF）來(lái)估算并設(shè)置期望的電流值。需要注意的是，獨(dú)立模式下的電流設(shè)置是靜態(tài)的，無(wú)法在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

• 靜音模式： 一些TMC2209模塊可能通過(guò)一個(gè)專(zhuān)門(mén)的跳線或焊盤(pán)來(lái)選擇是否啟用StealthChop2?靜音模式。默認(rèn)情況下，為了實(shí)現(xiàn)靜音效果，通常會(huì)啟用該模式。

• 優(yōu)點(diǎn)：

• 簡(jiǎn)單易用： 配置過(guò)程直觀，無(wú)需編寫(xiě)復(fù)雜的通信代碼。只需按照電路圖正確連接引腳，并調(diào)節(jié)電位器即可開(kāi)始使用。

• 成本較低： 通常不需要額外的硬件（如UART轉(zhuǎn)接板）或復(fù)雜的固件支持。

• 適用于基礎(chǔ)應(yīng)用： 對(duì)于只需要固定電流和微步設(shè)置的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，獨(dú)立模式完全能夠滿(mǎn)足需求。例如，在一些簡(jiǎn)單的3D打印機(jī)或DIY項(xiàng)目中，獨(dú)立模式已經(jīng)足夠提供良好的性能。

• 缺點(diǎn)：

• 功能受限： 獨(dú)立模式無(wú)法訪問(wèn)TMC2209的所有高級(jí)功能，例如CoolStep?、StallGuard4?、動(dòng)態(tài)電流調(diào)整、以及更精細(xì)的微步分辨率（如1/32、1/64、1/128、1/256）。這些高級(jí)功能是TMC2209的核心優(yōu)勢(shì)之一，獨(dú)立模式下無(wú)法充分發(fā)揮。

• 缺乏靈活性： 一旦配置完成，驅(qū)動(dòng)參數(shù)（如電流、微步）就難以在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更改。如果需要調(diào)整，通常需要手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器或更改跳線，這在某些應(yīng)用中會(huì)非常不便。

• 診斷信息有限： 獨(dú)立模式下無(wú)法通過(guò)軟件讀取芯片的狀態(tài)寄存器，因此無(wú)法獲取驅(qū)動(dòng)器的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)、錯(cuò)誤信息或堵轉(zhuǎn)檢測(cè)結(jié)果。這使得故障排除和系統(tǒng)監(jiān)控變得更加困難。

3.2 UART模式 (Serial Mode)

UART模式是TMC2209最強(qiáng)大和靈活的配置方式，它通過(guò)串行通信接口與微控制器進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換，允許用戶(hù)完全掌控TMC2209的所有高級(jí)功能。

• 配置方式：在UART模式下，TMC2209通過(guò)UART_TX和UART_RX引腳與微控制器的串口連接。微控制器通過(guò)發(fā)送特定的命令字節(jié)序列來(lái)讀寫(xiě)TMC2209的內(nèi)部寄存器，從而實(shí)現(xiàn)以下高級(jí)配置和功能：

• 動(dòng)態(tài)電流設(shè)置： 可以根據(jù)負(fù)載或運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)電流，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和降低發(fā)熱。

• 微步分辨率： 支持從全步到1/256微步的任意設(shè)置，提供極致的平滑度和精度。

• 模式切換： 可以在StealthChop2?（靜音模式）和SpreadCycle?（高動(dòng)態(tài)模式）之間無(wú)縫切換，以適應(yīng)不同的速度和負(fù)載條件。

• CoolStep?配置： 啟用并配置CoolStep?節(jié)能功能，優(yōu)化電流以降低功耗和發(fā)熱。可以設(shè)置電流下限、負(fù)載閾值等參數(shù)。

• StallGuard4?配置與讀?。?/strong> 啟用無(wú)傳感器堵轉(zhuǎn)檢測(cè)功能，設(shè)置靈敏度閾值，并在發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)讀取其狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停止、歸位或錯(cuò)誤報(bào)告。

• 診斷與監(jiān)控： 讀取芯片的各種狀態(tài)寄存器，包括溫度、過(guò)流、短路、電機(jī)負(fù)載、堵轉(zhuǎn)檢測(cè)值等，為系統(tǒng)監(jiān)控和故障診斷提供豐富的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

• OTP編程： 對(duì)于某些需要固定配置的應(yīng)用，甚至可以通過(guò)OTP（一次性可編程）內(nèi)存將常用設(shè)置寫(xiě)入芯片，使其在每次上電時(shí)自動(dòng)加載。

• 優(yōu)點(diǎn)：

• 全功能訪問(wèn)： 可以解鎖TMC2209的所有高級(jí)功能，最大限度地發(fā)揮其性能和效率。

• 高度靈活性： 驅(qū)動(dòng)參數(shù)可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，使系統(tǒng)能夠適應(yīng)不斷變化的工況。

• 智能控制： 結(jié)合CoolStep?和StallGuard4?，可以實(shí)現(xiàn)更智能、更高效、更安全的步進(jìn)電機(jī)控制。

• 強(qiáng)大的診斷能力： 實(shí)時(shí)獲取芯片狀態(tài)，有助于故障排除、性能優(yōu)化和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

• 缺點(diǎn)：

• 復(fù)雜度增加： 需要在微控制器固件中實(shí)現(xiàn)UART通信協(xié)議和TMC2209寄存器操作，這對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。需要理解TMC2209的數(shù)據(jù)手冊(cè)，并編寫(xiě)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)代碼。

• 額外資源占用： 需要微控制器提供UART接口，并且固件代碼量會(huì)增加。

• 布線要求： 相對(duì)獨(dú)立模式，UART模式的引腳連接稍多，需要確保通信線路的正確性和穩(wěn)定性。

3.3 模式選擇的考量

選擇獨(dú)立模式還是UART模式，主要取決于您的應(yīng)用需求、對(duì)功能的側(cè)重以及自身的開(kāi)發(fā)能力。

• 選擇獨(dú)立模式：

• 當(dāng)您對(duì)靜音效果有基本要求，但對(duì)動(dòng)態(tài)性能和高級(jí)功能（如堵轉(zhuǎn)檢測(cè)、節(jié)能）沒(méi)有嚴(yán)格要求時(shí)。

• 當(dāng)您的項(xiàng)目預(yù)算或開(kāi)發(fā)時(shí)間有限，希望快速搭建原型時(shí)。

• 當(dāng)您對(duì)微控制器編程不熟悉，或希望簡(jiǎn)化硬件連接時(shí)。

• 例如，一些廉價(jià)的DIY 3D打印機(jī)或簡(jiǎn)單的線性模組，獨(dú)立模式可能已經(jīng)足夠。

• 選擇UART模式：

• 當(dāng)您需要充分利用TMC2209的所有高級(jí)功能，如CoolStep?節(jié)能、StallGuard4?堵轉(zhuǎn)檢測(cè)、以及1/256微步等。

• 當(dāng)您需要根據(jù)負(fù)載或運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整電機(jī)參數(shù)，以?xún)?yōu)化性能、降低功耗和發(fā)熱時(shí)。

• 當(dāng)您需要對(duì)電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和診斷，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題時(shí)。

• 在高端3D打印機(jī)、精密CNC設(shè)備、醫(yī)療儀器或其他對(duì)性能、靜音和安全性有高要求的工業(yè)應(yīng)用中，UART模式是更佳的選擇。許多主流的3D打印機(jī)固件（如Marlin、Klipper）都提供了對(duì)TMC2209 UART模式的完善支持。

在實(shí)際應(yīng)用中，許多TMC2209模塊的設(shè)計(jì)也考慮到了兩種模式的切換。例如，一些模塊可能通過(guò)焊接跳線來(lái)選擇是啟用獨(dú)立模式還是UART模式。用戶(hù)在購(gòu)買(mǎi)和使用時(shí)應(yīng)仔細(xì)閱讀模塊的說(shuō)明文檔，以確保選擇正確的模式并進(jìn)行相應(yīng)的配置。

4. TMC2209的獨(dú)特技術(shù)詳解

TMC2209之所以在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域脫穎而出，得益于其集成的多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。這些技術(shù)共同作用，提升了步進(jìn)電機(jī)的性能、靜音效果、效率和安全性。

4.1 StealthChop2? (超靜音模式)

StealthChop2?是Trinamic公司的一項(xiàng)核心專(zhuān)利技術(shù)，它革命性地解決了步進(jìn)電機(jī)在低速和中速運(yùn)行時(shí)常見(jiàn)的噪音和振動(dòng)問(wèn)題。傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在微步細(xì)分時(shí)，電流波形會(huì)產(chǎn)生失真，導(dǎo)致電機(jī)繞組發(fā)出可聞的噪音，并伴隨振動(dòng)。StealthChop2?通過(guò)一種獨(dú)特的電壓斬波控制算法來(lái)應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題。

• 工作原理： StealthChop2?不像傳統(tǒng)的電流斬波器那樣直接控制電流波形，而是通過(guò)精確控制電機(jī)繞組上的電壓來(lái)間接影響電流，使其更接近理想的正弦波形。它在每個(gè)微步周期內(nèi)，會(huì)根據(jù)當(dāng)前步進(jìn)位置和負(fù)載情況，動(dòng)態(tài)地調(diào)整PWM占空比，從而平滑地控制繞組電流的變化。這種平滑的電流變化顯著減少了電流瞬變和共振，從而消除了電機(jī)噪音。此外，StealthChop2?還能夠?qū)Ψ措妱?dòng)勢(shì)（BEMF）進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步提高在不同負(fù)載下的運(yùn)行平滑度。

• 靜音效果： 在啟用StealthChop2?后，步進(jìn)電機(jī)在低速（通常是大部分打印或運(yùn)行速度）運(yùn)行時(shí)的噪音幾乎聽(tīng)不到，只有輕微的機(jī)械聲。這使得3D打印機(jī)等設(shè)備在運(yùn)行時(shí)變得非常安靜，極大地改善了用戶(hù)體驗(yàn)。

• 適用場(chǎng)景： StealthChop2?在低速到中速范圍內(nèi)表現(xiàn)出色，特別適合需要極低噪音的應(yīng)用，例如臥室里的3D打印機(jī)、靜音醫(yī)療設(shè)備、辦公室自動(dòng)化設(shè)備等。

• 局限性： 盡管StealthChop2?提供了卓越的靜音效果，但在非常高的速度下，由于電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的增加，它可能無(wú)法提供足夠的電壓來(lái)維持理想的電流波形，導(dǎo)致電機(jī)扭矩下降。在這種情況下，TMC2209可以無(wú)縫切換到SpreadCycle?模式。

4.2 SpreadCycle? (高動(dòng)態(tài)斬波模式)

SpreadCycle?是TMC2209的另一種斬波器模式，它專(zhuān)注于在高速度和高負(fù)載下提供最佳的動(dòng)態(tài)性能和扭矩輸出。與StealthChop2?的電壓模式不同，SpreadCycle?采用了一種優(yōu)化的**滯環(huán)斬波器（Hysteresis Chopper）**原理。

• 工作原理： SpreadCycle?通過(guò)在電流實(shí)際值和目標(biāo)值之間設(shè)置一個(gè)滯環(huán)，當(dāng)電流超出滯環(huán)上限時(shí)快速關(guān)斷，當(dāng)電流低于滯環(huán)下限時(shí)快速開(kāi)啟，從而使電流在目標(biāo)值附近快速振蕩。這種快速響應(yīng)的電流控制方式，使得電機(jī)在高速和負(fù)載變化時(shí)能夠迅速達(dá)到目標(biāo)電流，從而提供更大的扭矩。同時(shí)，SpreadCycle?的斬波頻率是自適應(yīng)的，能夠根據(jù)電流變化率進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步優(yōu)化性能。

• 性能優(yōu)勢(shì)： SpreadCycle?提供了更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和更強(qiáng)的扭矩輸出，特別是在高速運(yùn)行和突然加速/減速的場(chǎng)景中。它的電流控制更為精確和快速，有助于防止步進(jìn)丟失。

• 噪音特性： 相對(duì)于StealthChop2?，SpreadCycle?在低速時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生一些可聞的斬波噪音，但其噪音水平仍然遠(yuǎn)低于許多傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。在高速運(yùn)行時(shí)，由于電機(jī)機(jī)械噪音的增加，斬波噪音通常會(huì)被掩蓋。

• 適用場(chǎng)景： 適用于需要高扭矩、高速度和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的應(yīng)用，例如CNC機(jī)床、高速自動(dòng)化設(shè)備等。在3D打印中，當(dāng)擠出機(jī)需要快速響應(yīng)或打印速度非常高時(shí)，SpreadCycle?可以提供更可靠的性能。

4.3 CoolStep? (智能節(jié)能與熱管理)

CoolStep?是一項(xiàng)革命性的節(jié)能技術(shù)，它允許TMC2209根據(jù)電機(jī)負(fù)載智能地調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流，從而在不犧牲性能的前提下，顯著降低功耗和芯片發(fā)熱。

• 工作原理： CoolStep?利用StallGuard4?的負(fù)載測(cè)量功能。它會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)電機(jī)的負(fù)載，當(dāng)負(fù)載較低時(shí)，CoolStep?會(huì)自動(dòng)降低驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，它會(huì)逐漸提高電流以保持足夠的扭矩，直至達(dá)到用戶(hù)設(shè)定的最大電流值。這種動(dòng)態(tài)電流調(diào)整機(jī)制確保了只有在需要時(shí)才提供必要的電流。

• 節(jié)能效果： 通過(guò)降低不必要的電流，CoolStep?能夠?qū)⒉竭M(jìn)電機(jī)的能耗降低高達(dá)75%。這不僅降低了系統(tǒng)的整體功耗，也意味著更少的廢熱產(chǎn)生，從而減少了對(duì)散熱片或風(fēng)扇的需求，甚至可以省去它們。

• 熱管理： 減少芯片發(fā)熱是CoolStep?的另一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。較低的工作溫度延長(zhǎng)了TMC2209芯片本身以及相鄰電子元件的壽命，提高了系統(tǒng)的可靠性。

• 配置與閾值： CoolStep?可以通過(guò)UART接口進(jìn)行配置。用戶(hù)可以設(shè)置電流下限（Imin）、StallGuard4?負(fù)載閾值等參數(shù)，以微調(diào)其行為，使其適應(yīng)不同的電機(jī)和負(fù)載特性。

4.4 StallGuard4? (無(wú)傳感器堵轉(zhuǎn)檢測(cè))

StallGuard4?是TMC2209最具創(chuàng)新性的功能之一，它實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外部傳感器的電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測(cè)。這項(xiàng)技術(shù)利用步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)（BEMF）特性來(lái)判斷電機(jī)是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)或發(fā)生堵轉(zhuǎn)。

• 工作原理： 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，其繞組會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)，其幅度和相位與電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載有關(guān)。StallGuard4?會(huì)持續(xù)監(jiān)測(cè)并分析這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)的波形。當(dāng)電機(jī)遇到障礙物、負(fù)載過(guò)大或步進(jìn)丟失時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)的波形會(huì)發(fā)生明顯的變化。StallGuard4?通過(guò)內(nèi)部算法檢測(cè)這些變化，并將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)“負(fù)載值”。當(dāng)這個(gè)負(fù)載值超過(guò)用戶(hù)設(shè)定的閾值時(shí)，StallGuard4?就會(huì)發(fā)出堵轉(zhuǎn)信號(hào)。

• 應(yīng)用場(chǎng)景：

• 無(wú)限位開(kāi)關(guān)歸位： 在3D打印機(jī)和CNC機(jī)床中，StallGuard4?可以取代傳統(tǒng)的機(jī)械限位開(kāi)關(guān)或光電限位開(kāi)關(guān)。通過(guò)檢測(cè)電機(jī)撞到機(jī)械末端時(shí)的堵轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)精確的無(wú)傳感器歸位（Homing）。這簡(jiǎn)化了布線，節(jié)省了成本，并可能提高歸位的精度。

• 步進(jìn)丟失檢測(cè)： 在打印過(guò)程中，如果噴嘴意外堵塞或機(jī)械部分卡死，StallGuard4?可以檢測(cè)到電機(jī)負(fù)載異常并及時(shí)發(fā)出警報(bào)，甚至停止打印，從而避免浪費(fèi)材料和時(shí)間。

• 碰撞檢測(cè)： 在機(jī)器人和自動(dòng)化應(yīng)用中，StallGuard4?可以用于檢測(cè)與環(huán)境的碰撞，提高設(shè)備的安全性。

• 配置與靈敏度： StallGuard4?的靈敏度可以通過(guò)UART接口進(jìn)行配置。用戶(hù)需要根據(jù)具體的電機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以找到一個(gè)合適的閾值，既能靈敏地檢測(cè)到堵轉(zhuǎn)，又能避免誤觸發(fā)。

• 局限性： 盡管StallGuard4?功能強(qiáng)大，但它并非在所有情況下都完美無(wú)缺。在極低的轉(zhuǎn)速下，由于反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)較弱，StallGuard4?的檢測(cè)精度可能會(huì)下降。在非常高的負(fù)載或極端工況下，也可能需要進(jìn)行細(xì)致的校準(zhǔn)。

5. TMC2209在3D打印中的應(yīng)用

TMC2209因其卓越的靜音效果、高精度和智能功能，已成為3D打印機(jī)領(lǐng)域最受歡迎的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之一。它能夠顯著提升3D打印機(jī)的用戶(hù)體驗(yàn)和打印質(zhì)量。

5.1 靜音打印

這是TMC2209最直觀的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)啟用StealthChop2?模式，3D打印機(jī)在打印過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的噪音幾乎可以忽略不計(jì)。這意味著用戶(hù)可以在臥室或辦公室里放置打印機(jī)，而不會(huì)受到噪音的干擾。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間打印任務(wù)，靜音操作尤為重要，它能有效改善居住和工作環(huán)境。許多用戶(hù)升級(jí)到TMC2209的主要原因就是為了獲得這種極致的靜音體驗(yàn)。

5.2 提高打印精度與平滑度

TMC2209支持高達(dá)1/256微步（通過(guò)UART模式配置）。高微步細(xì)分使得電機(jī)每一步的移動(dòng)距離更小，從而提供了更精細(xì)的定位能力。這對(duì)于打印細(xì)節(jié)豐富的模型、減少層紋（salmon skin effect）以及提高表面光潔度至關(guān)重要。平滑的微步過(guò)渡也減少了電機(jī)振動(dòng)，進(jìn)一步提升了打印質(zhì)量。與傳統(tǒng)的1/16或1/32微步驅(qū)動(dòng)器相比，TMC2209在微步細(xì)分上的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。

5.3 無(wú)傳感器歸位 (Sensorless Homing)

TMC2209的StallGuard4?功能使得3D打印機(jī)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器歸位。傳統(tǒng)3D打印機(jī)需要X、Y、Z軸各安裝一個(gè)限位開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行歸位操作。而有了StallGuard4?，當(dāng)電機(jī)移動(dòng)到機(jī)械末端并撞擊結(jié)構(gòu)時(shí)，芯片會(huì)檢測(cè)到電機(jī)堵轉(zhuǎn)并發(fā)出信號(hào)，固件收到信號(hào)后即可停止電機(jī)并確定零點(diǎn)位置。

• 優(yōu)點(diǎn)：

• 簡(jiǎn)化布線： 省去了限位開(kāi)關(guān)的復(fù)雜布線。

• 節(jié)省成本： 無(wú)需購(gòu)買(mǎi)和安裝限位開(kāi)關(guān)。

• 提高可靠性： 減少了外部機(jī)械部件的故障點(diǎn)。

• 更整潔的結(jié)構(gòu)： 使得打印機(jī)內(nèi)部空間更加簡(jiǎn)潔。

• 部分情況下精度更高： 有些情況下，StallGuard4?可以提供比機(jī)械開(kāi)關(guān)更一致的歸位精度，因?yàn)樗陔姍C(jī)自身的特性進(jìn)行判斷。

• 配置： 在Marlin或Klipper等固件中，需要啟用StallGuard4?相關(guān)宏定義，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整StallGuard4?的靈敏度閾值（通常在configuration_adv.h或Klipper配置文件中設(shè)置），以確保既能準(zhǔn)確檢測(cè)堵轉(zhuǎn)，又不會(huì)因輕微負(fù)載變化而誤觸發(fā)。

5.4 智能電流控制 (CoolStep?)

在3D打印中，電機(jī)在不同階段的負(fù)載是變化的。例如，在快速移動(dòng)（G0指令）時(shí)負(fù)載較低，而在擠出打印（G1指令）時(shí)負(fù)載會(huì)增加。TMC2209的CoolStep?功能可以根據(jù)這些負(fù)載變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流。

• 優(yōu)點(diǎn)：

• 降低發(fā)熱： 當(dāng)電機(jī)負(fù)載較低時(shí)，CoolStep?會(huì)自動(dòng)降低電流，從而減少芯片和電機(jī)的發(fā)熱量。這對(duì)于在封閉式打印倉(cāng)或長(zhǎng)時(shí)間打印的環(huán)境中尤其重要，可以避免過(guò)熱導(dǎo)致的性能下降或芯片損壞。

• 節(jié)能： 減少不必要的電流消耗，降低打印機(jī)的整體能耗。

• 延長(zhǎng)壽命： 降低工作溫度有助于延長(zhǎng)TMC2209芯片和步進(jìn)電機(jī)的使用壽命。

• 配置： CoolStep?通常需要在UART模式下啟用，并在固件中設(shè)置電流的上下限、以及觸發(fā)電流調(diào)整的StallGuard閾值。合理配置CoolStep?可以實(shí)現(xiàn)最佳的節(jié)能和散熱效果。

5.5 其他優(yōu)勢(shì)

• 故障保護(hù)： TMC2209內(nèi)置了過(guò)熱關(guān)斷、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)功能，這些功能在3D打印機(jī)運(yùn)行中提供了額外的安全性，防止因驅(qū)動(dòng)器故障導(dǎo)致的損壞。

• 與主流固件兼容： Marlin、Klipper等流行的3D打印機(jī)固件都對(duì)TMC2209提供了良好的支持，用戶(hù)可以輕松地在這些固件中配置和使用TMC2209的各項(xiàng)高級(jí)功能。這使得TMC2209的集成變得相對(duì)簡(jiǎn)單，降低了用戶(hù)的學(xué)習(xí)曲線。

總而言之，TMC2209在3D打印機(jī)中的應(yīng)用，不僅僅是提供了更安靜的打印體驗(yàn)，更通過(guò)其一系列先進(jìn)功能，提升了打印精度、可靠性和智能化水平。對(duì)于追求高質(zhì)量打印和最佳用戶(hù)體驗(yàn)的3D打印愛(ài)好者和專(zhuān)業(yè)人士來(lái)說(shuō)，TMC2209無(wú)疑是一個(gè)理想的選擇。

6. TMC2209的配置與固件支持

要充分發(fā)揮TMC2209的潛力，特別是在UART模式下，正確的配置至關(guān)重要。這通常涉及到硬件連接和軟件（固件）設(shè)置兩個(gè)方面。

6.1 硬件連接

在使用TMC2209驅(qū)動(dòng)模塊時(shí)，需要根據(jù)其工作模式（獨(dú)立或UART）進(jìn)行正確的硬件連接。

• 獨(dú)立模式連接：

• 電機(jī)連接： 將步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)線圈（通常是4根線）分別連接到驅(qū)動(dòng)板的OUT1A/OUT1B和OUT2A/OUT2B。務(wù)必確保線圈對(duì)應(yīng)正確，否則電機(jī)可能反轉(zhuǎn)或無(wú)法正常工作。

• 電源連接： VM連接到電機(jī)電源（如12V/24V），VIO連接到邏輯電源（如3.3V/5V），GND接地。

• 控制信號(hào)： DIR連接到主控板的方向引腳，STEP連接到脈沖引腳，EN連接到使能引腳。

• 微步選擇： 如果模塊有MS1/MS2引腳，根據(jù)需求連接到高/低電平或懸空以選擇微步。如果模塊自帶跳線，則通過(guò)跳線帽進(jìn)行設(shè)置。

• 電流調(diào)節(jié)： 使用小螺絲刀調(diào)節(jié)模塊上的電位器，通過(guò)測(cè)量VREF電壓來(lái)設(shè)置期望的峰值電流。請(qǐng)參考模塊說(shuō)明書(shū)獲取VREF與電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

• UART模式連接：

• 除了上述獨(dú)立模式的連接外，還需要連接UART通信引腳。

• UART_TX: 連接到主控板的RX引腳。

• UART_RX: 連接到主控板的TX引腳。

• 注意： 在某些TMC2209模塊上，UART_TX和UART_RX引腳可能已經(jīng)通過(guò)跳線或電阻連接到其他引腳（如STEP/DIR引腳附近），從而簡(jiǎn)化了布線。這意味著這些模塊在使用UART模式時(shí)，可能需要移除特定的跳線或確保相應(yīng)的引腳不被用于其他功能。務(wù)必查閱您所購(gòu)買(mǎi)的TMC2209模塊的詳細(xì)說(shuō)明書(shū)，了解其具體的UART連接方式。

6.2 固件支持 (以Marlin和Klipper為例)

目前主流的3D打印機(jī)固件，如Marlin和Klipper，都對(duì)TMC2209的UART模式提供了完善的支持。通過(guò)修改固件配置，可以啟用和調(diào)整TMC2209的各項(xiàng)高級(jí)功能。

6.2.1 Marlin 固件配置

Marlin是目前最流行的開(kāi)源3D打印機(jī)固件之一。在Marlin中配置TMC2209通常需要在Configuration.h和

Configuration_adv.h兩個(gè)文件中進(jìn)行修改。

• 啟用TMC2209驅(qū)動(dòng)器：在Configuration.h中，找到并定義您的TMC驅(qū)動(dòng)器類(lèi)型：

  C++

• #define X_DRIVER_TYPE TMC2209#define Y_DRIVER_TYPE TMC2209#define Z_DRIVER_TYPE TMC2209#define
  

•  E0_DRIVER_TYPE TMC2209 // 擠出機(jī)
  

  如果您使用多個(gè)擠出機(jī)，則需要為E1、E2等也進(jìn)行定義。

• 啟用UART通信：在Configuration_adv.h中，找到并啟用TMC的UART功能：

  C++

• #define HAS_MOTOR_CURRENT_SPI // 或者 HAS_MOTOR_CURRENT_UART，取決于具體類(lèi)型#define TMC_HARDWARE_SERIAL 
  

• // 如果使用硬件串口#define TMC_DEBUG // 啟用調(diào)試輸出
  

  如果您使用的是軟串口（Software Serial），則需要定義相應(yīng)的引腳。通常，TMC2209是單線UART通信，因此只需要一個(gè)引腳連接到主控板。

• 設(shè)置TMC UART引腳 (如果需要):在boards.h或主板的特定配置文件中，找到并定義TMC的UART引腳。例如：

  C++

• #define X_TMC_UART_PIN P1_0 // 示例#define Y_TMC_UART_PIN P1_1#define Z_TMC_UART_PIN P1_2#define E0_
  

• TMC_UART_PIN P1_3
  

  這些引腳定義取決于您的主板型號(hào)和TMC驅(qū)動(dòng)器模塊的連接方式。許多一體化主板（如SKR系列）都有預(yù)定義的TMC UART引腳。

• 配置電流：在Configuration_adv.h中，設(shè)置每個(gè)軸的運(yùn)行電流。

  C++

• #define TMC_RMS_CURRENT // 啟用RMS電流設(shè)置#if ENABLED(TMC_RMS_CURRENT)
    #define X_CURRENT       580  // X軸 RMS 電流 (mA)
    #define Y_CURRENT       580  // Y軸 RMS 電流 (mA)
    #define Z_CURRENT       580  // Z軸 RMS 電流 (mA)
    #define E0_CURRENT      650  // 擠出機(jī) RMS 電流 (mA)
    #define TMC_HOLD_MULTIPLIER 0.5 // 保持電流倍數(shù)，降低空閑時(shí)的電流和發(fā)熱#endif
  

  這里的電流是RMS電流，峰值電流約為RMS電流的1.414倍。具體設(shè)置值應(yīng)根據(jù)您的電機(jī)規(guī)格和實(shí)際發(fā)熱情況進(jìn)行調(diào)整。

• 啟用StealthChop2?和SpreadCycle?：在Configuration_adv.h中，默認(rèn)情況下Marlin會(huì)啟用StealthChop2?。您也可以配置在特定速度下在兩種模式之間切換：

  C++

• #define HYBRID_THRESHOLD#define X_HYBRID_THRESHOLD 100 
  

• // X軸速度超過(guò)100mm/s時(shí)切換到SpreadCycle#define Y_HYBRID_THRESHOLD 100#define Z_HYBRID_THRESHOLD 
  

•  3#define E0_HYBRID_THRESHOLD 30
  

  通過(guò)HYBRID_THRESHOLD，可以在低速時(shí)使用StealthChop2?實(shí)現(xiàn)靜音，高速時(shí)自動(dòng)切換到SpreadCycle?以確保扭矩。

• 啟用CoolStep?：在Configuration_adv.h中，啟用并配置CoolStep?：

  C++

  #define MONITOR_DRIVER_STATUS#if ENABLED(MONITOR_DRIVER_STATUS)
    #define TMC_USE_SW_SPI // 如果使用軟件SPI（或SW_UART），此處可能需要
    #define COOLSTEP
    #if ENABLED(COOLSTEP)
      #define X_MIN_CURRENT       250 // X軸最小電流 (mA)
      #define Y_MIN_CURRENT       250
      #define Z_MIN_CURRENT       250
      #define E0_MIN_CURRENT      300
      #define X_MAX_CURRENT_LOAD   50 // X軸最大負(fù)載閾值 (StallGuard值)
      // ... 其他軸類(lèi)似
    #endif#endif
  

  CoolStep?需要StallGuard4?數(shù)據(jù)作為輸入，因此通常需要先啟用MONITOR_DRIVER_STATUS。

• 啟用StallGuard4? (無(wú)傳感器歸位)：在Configuration_adv.h中，啟用并配置StallGuard4?：

  C++

  #define SENSORLESS_HOMING // 啟用無(wú)傳感器歸位#if ENABLED(SENSORLESS_HOMING)
    #define X_STALL_SENSITIVITY    8 // X軸堵轉(zhuǎn)靈敏度 (0-255, 越高越不敏感)
    #define Y_STALL_SENSITIVITY    8 // Y軸堵轉(zhuǎn)靈敏度
    #define Z_STALL_SENSITIVITY    8 // Z軸堵轉(zhuǎn)靈敏度 (如果您的Z軸是StallGuard歸位)
    #define HOMING_BUMP_MM         5 // 歸位后回彈距離
    #define X_HOMING_BUMP_DIVISOR  2 // 歸位后分步調(diào)整距離
    #define Y_HOMING_BUMP_DIVISOR  2
    #define Z_HOMING_BUMP_DIVISOR  2#endif
  

  *_STALL_SENSITIVITY是StallGuard4?的關(guān)鍵參數(shù)，需要反復(fù)測(cè)試來(lái)找到最適合您機(jī)器的值。值越高，檢測(cè)到堵轉(zhuǎn)所需的負(fù)載越大（越不敏感）。

• 微步設(shè)置：微步通常在Configuration.h中定義，例如1/16或1/32等。當(dāng)TMC2209配置為UART模式時(shí)，實(shí)際微步可以被固件通過(guò)UART動(dòng)態(tài)設(shè)置，最高可達(dá)1/256。

6.2.2 Klipper 固件配置

Klipper是另一種流行的3D打印機(jī)固件，它將底層的運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算從主控板轉(zhuǎn)移到更強(qiáng)大的上位機(jī)（如樹(shù)莓派），從而提供更流暢、更精確的控制。Klipper的配置方式與Marlin有所不同，它使用一個(gè)單一的.cfg文本文件進(jìn)行所有配置。

TMC2209配置示例 (printer.cfg):

[stepper_x]step_pin: PC2
dir_pin: PC0
enable_pin: !PC3
microsteps: 16 # 可以根據(jù)需求設(shè)置為16、32、64、128、256rotation_distance: 40 
# 您的步進(jìn)電機(jī)螺距或皮帶輪周長(zhǎng)[tmc2209 stepper_x]uart_pin: PC1 
# 連接到TMC2209的UART數(shù)據(jù)引腳run_current: 0.580 
# X軸運(yùn)行電流 (RMS安培)hold_current: 0.290 
# X軸保持電流 (RMS安培)stealthchop_threshold: 999999 
# 啟用StealthChop2?的閾值，設(shè)置為大值意味著始終啟用
# spreadcycle_threshold: 0 # 如果需要，設(shè)置高速模式閾值
# diag_pin: ^PA1 # 如果使用StallGuard4?的 DIAG 引腳作為限位，需要配置
# driver_SGT: 8 # StallGuard4?靈敏度，用于無(wú)傳感器歸位[stepper_y]step_pin: PB9
dir_pin: PB8
enable_pin: !PB7
microsteps: 16
rotation_distance: 40[tmc2209 stepper_y]uart_pin: PB6
run_current: 0.580
hold_current: 0.290
stealthchop_threshold: 999999# diag_pin: ^PA2# driver_SGT: 8[stepper_z]step_pin: PB5
dir_pin: PB4
enable_pin: !PB3
microsteps: 16
rotation_distance: 8[tmc2209 stepper_z]uart_pin: PB2
run_current: 0.580
hold_current: 0.290
stealthchop_threshold: 999999# diag_pin: ^PA3 # Z軸無(wú)傳感器歸位時(shí)配置

# driver_SGT: 8[extruder]step_pin: PA10
dir_pin: PA9
enable_pin: !PA8
microsteps: 16
rotation_distance: 33.500 # 根據(jù)您的擠出機(jī)和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)[tmc2209 extruder]uart_pin: PA7
run_current: 0.650
hold_current: 0.325
stealthchop_threshold: 999999