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EXT2160

产品介绍

EXT2160外置驱动器是基于Trinamic TMC2160芯片设计的高性能驱动器，可提供平滑低噪音的驱动能力，且可实时检测电机运行状态，拥有堵转检测功能，用以实现无限位开关复位。采用高性能MOS管，其最大峰值电流可以达到6.6A，通过更换采样电阻，其电流可以进一步达到15A峰值。

驱动器可以使用简单的脉冲/方向/使能信号来控制，工作在独立模式，也可以用SPI来控制以获得更多智能的应用。在所有的信号接口均配备了高达3750V的数字隔离器，以避免高压和方向电动势对控制器造成不可逆的损坏。

该驱动器可以用于任何使用步进电机的场合，并附赠StepStick转接板，便于安装在需要高压大电流驱动的3D打印机上。

特性

基于TMC2160
超小尺寸：96x57x21
19-60V宽电压支持
高性能MOSFET，默认最大峰值电流6.6A，更换Rs可达15A峰值（需更换连接方式）
独立模式，Step/Dir 接口，带MicroPlyer™细分补偿，实现256高细分
支持SPI模式，完美工作于Marlin/Klipper等固件
支持无限位开关复位/电流节能自动调节/静音平滑运动
板载3750V数字隔离
可选StepStick转接板，SPI直连驱动器
铝制外壳，兼顾美观和散热
2x5 DC3 简牛信号接口，含SPI和S/D
1x7 拨码选择开关，用于独立模式电流调节和功能配置

技术规格

适用范围	适用于驱动两相步进电机
输入电压	19-60VDC（Peak）
输入电流	8A Max
驱动能力	6.6A Peak默认，更改连接器和采样电阻可达15A Peak
最大脉冲频率	9MHz
待机电流衰减	50%
接口	3.81mm 5P 插座 + 3.81mm 6P 插座 + 2X5P DC3 插座
运行模式	STEP/DIR独立模式 / SPI模式
环境温度	0-40°C (32-104°F)
环境湿度	最大90%，无结露
指示灯	1个红灯指示DIAG，和1个绿灯指示5VDC
隔离	3750V，最大150Mhz
保护	过压保护，欠压保护，过温保护，过流保护
细分	外部8-64细分输入可调，内部256细分插补
Trinamic 技术	StealthChop 2™ 无噪声、高精度斩波算法，用于电机的静止和运动状态下的静音控制。StealthChop2在 StealthChop 的基础上，加快了电机运动加减速特性，降低了所需的电流最小值。spreadCycle™ 高精度斩波算法，用于高动态电机运动和产生绝对干净的电流波。低噪音、低共振和低振动斩波器。DcStep™ 与负载相关的速度控制。电机尽可能快地移动，不失步StallGuard2™ 无传感器的堵转检测和机械负载测量。CoolStep™ 根据负载自适应电流，可将能耗降低 75 %。MicroPlyer™ 细分内插器，用于从全步开始，以较低细分输入获得 256 微步的平滑度

驱动器安装

用户可以用驱动器散热底座的宽边或窄边进行安装，即A方式或者B方式。为达到良好散热效果，建议采用窄边安装。驱动器的功率器件会发热，如果连续工作在高输入电压（>24V）、大功率(>5A)条件下，应扩大有效散热面积或强制冷却。

请不要在空气不流通的地方或者环境温度超过40°C的地方使用；

不要将驱动器安装在潮湿或有金属屑的地方。

驱动器接口连接

要使驱动器能正常工作，需要提供以下必要条件：

推荐使用19-55V合适功率的稳压电源，具体根据所带电机确定。（驱动器的极限电压是60V，不代表可直接使用60V的电源进行工作，因为电源在开启或者电机工作时都会有导致电压瞬间升高的可能，极有可能损坏驱动器）
合适的控制信号源，如控制板，PLC等；
相匹配的步进电机。

连接电源

如果您的电源输出端没有保险丝或一些别的限制短路电流的装置，可在电源和驱动器之间放置一个

适当规格的快速熔断保险丝(规格不得超过8Amps)以保护驱动器和电源，请将该保险丝串联于电源
的正极和驱动器的”19-60V“位置之间。

将电源的正极连接到驱动器的“19-60V”位置，将电源的负极连接到驱动器的“PGND”位置。
如果要同时保证高效率和低噪音，则驱动器供电电压至少5倍于电机额定相电压（即电机额定相电

流×相电阻）。

如果您需要电机获得更好的高速性能，则需要提高驱动器供电电压。
如果使用稳压电源供电，要求供电电压不得超过50V。
如果使用非稳压电源供电，要求电压不得超过34V。因为非稳压电源的额定电流是满载电流；在负载很轻，例如电机不转时，实际电压高达电源额定电压的1.4倍。
当电机减速的时候，它会像发电机一样将负载的动能转化为电能。一些能量会被驱动器和电机消耗

掉。如果您的应用中有大的负载以高速运行，相当大的动能会被转换成电能。通常简单的线性电源
有一个大的电容来吸收这些能量而不会对系统造成损坏。开关电源往往会在过压的状况下关闭，多
余的能量会回传给驱动器，可能会造成驱动器的损坏。为了预防这种情况，我们推荐使用如下图所
示的RC880再生放电钳。再生放电钳安装在电源和驱动器之间。

连接电机

直接连接：将B1/B2连接于电机的一相，A1/A2连接于电机的另外一相即可；

并联接法：一般用于转动速度要求较快，力矩要求不算高的场合；

串联接法：一般用于力矩大，转动速度要求不高的场合。但由于串联接法的使用过程中，通过的电流较大，所以发热量也会比一般并联电机大。（一般步进电机发热的温度，达到90度都是正常的）

连接输入输出控制信号

驱动器是基于TMC2160设计的，可以提供独立模式和SPI模式两种工作方式。一般的应用，如CNC或者类似设备可以直接使用独立模式，配置简单。如果用在3D打印机上推荐使用SPI模式，以获得更智能的驱动方式，如果无限位开关复位。目前Klipper和Marlin均能完美支持TMC2160，具体配置参考相应固件说明。

独立模式

使用独立模式的时候，根据驱动器正面刻字或者上图所示，将拨码开关向上拨动，使其停在“standalone Mode”/“STD”的位置，然后发送正确的信号到驱动器即可。信号输入可以是2x5P DC3 插座处，也可以是下图所示的3.81间距 5P连接器，与一般光耦隔离驱动器不同的是此处的“3.3-5V”“SGND”必须连接，用于为数字隔离器供电，且输入信号应与该供电共地。

脉冲和方向信号

EXT2160驱动器有2个高速输入口STEP和DIR，数字隔离，可以接受3.3-5VDC单端信号，最高电压可达5.5V，信号下降沿有效。
电机运转方向取决于DIR电平信号，若DIR信号为低电平时，电机顺时针运转; 则DIR悬空或高电平时，电机逆时针运转。

使能信号

EN输入使能或关断驱动器的功率部分，信号输入为数字隔离，可接受3.3-5VDC单端信号，信号最高可达5.5V。EN信号低电平时，驱动器为使能状态，电机正常运转; EN信号悬空或为高电平时，驱动器功率部分关断，电机无励磁。

参数设定

使用独立模式时（即SPI_MODE 引脚连接到 GND时），在这种模式下，驱动程序充当纯 STEP 和 DIR 驱动程序。 SPI 和单线关闭。驱动器在 SpreadCycle 模式或 StealthChop 模式下工作。所有寄存器参数设定是通过7位DIP拨码开关来配置CFG0-CFG6（默认上拉至VCC_IO）实现的，下压到ON即为连接到GND，不动即为OFF，默认连接到VCC_IO。具体配置参考如下：

细分设置

CFG0/CFG1：

CFG1	CFG0	Microstep Setting
GND	GND	8 microsteps, MRES*=5
GND	VCC_IO	16 microsteps, MRES=4
VCC_IO	GND	32 microsteps, MRES=3
VCC_IO	VCC_IO	64 microsteps, MRES=2

*MRES：实际细分。在软件设定了 INTERPOLATE 情况下，外部不论按照多少细分输入脉冲，内部都会自动计算并插补到256细分运行，以使得步进电机运行平滑，静音。

电流设置

CFG4/CFG3/CFG2: CONFIGURATION OF RUN CURRENT

CFG4	CFG3	CFG2	IRUN_Setting	I-rms	I-peak
GND	GND	GND	IRUN=16，	2.44	3.45
GND	GND	VCC_IO	IRUN=18	2.73	3.86
GND	VCC_IO	GND	IRUN=20	3.02	4.27
GND	VCC_IO	VCC_IO	IRUN=22	3.3	4.67
VCC_IO	GND	GND	IRUN=24	3.59	5.08
VCC_IO	GND	VCC_IO	IRUN=26	3.88	5.48
VCC_IO	VCC_IO	GND	IRUN=28	4.17	5.89
VCC_IO	VCC_IO	VCC_IO	IRUN=31	4.6	6.6

EXT2160驱动器默认板载0.05Ω采样电阻，即其能达到最大的Irms=4.7A，Ipeak=6.6A，如果使用独立模式，EXT2160的Irms电流在2.35-4.7A之间可调，Ipeak在3.3-6.6A之间可调。

所以如果使用的是2.35A以下的电机则必须使用SPI模式，否则会电流过大，导致电机烧毁。

若需要更小的电流则必须使用SPI模式进行配置或者在独立模式下改变PCB上采样电阻的大小。（驱动器PCB上的0.05Ω的采样电阻是由两个0.1Ω电阻并联而成，可以拆除其一，使得采样电阻变为0.1Ω，这样在独立模式下，EXT2160的Irms电流在1.15-2.3A之间可调，Ipeak在1.65-3.3A之间可调。如需更多电流范围配置，可参考下表更改采样电阻Rsense，按照下列公式计算有效电流Irms，更多关于电流等内容请参考TMC2160规格书第8章节）
$$
Irms=\frac{0.325}{0.05}×\frac{Irun+1}{32}×\frac{1}{\sqrt2}
$$
Rsese和电流的关系表：

RSENSE [Ω]	RMS current [A] (CS=31)	Sine wave peakcurrent [A] (CS=31)
0.22	1.1	1.5
0.15	1.6	2.2
0.12	2.0	2.8
0.10	2.3	3.3
0.075	3.1	4.4
0.066	3.5	5.0
0.050	4.7	6.6
0.033	7.1	10.0
0.022	10.6	15.0

Chopper 模式选择

CFG5: SELECTION OF CHOPPER MODE

CFG5	Chopper Setting
GND	SpreadCycle 模式. (TOFF=3)
VCC_IO	StealthChop 模式. (GCONF.en_PWM_mode=1)* 在使用 StealthChop 前，请确保电机休息最少 100ms (假设最小的 fCLK 为 10MHz) *

StealthChop 是电压斩波器的原理。除了电机机械滚轮轴承产生的噪音，它特别保证了电机在静止和慢速运行时能绝对安静。不同于其他电压模式斩波器, StealthChop 2 不需要任何配置。通电后，它会在第一次运动中自动学习最佳设置，并进一步优化后续运动中的设置。初始的归零过程足以使系统完成StealthChop最佳配置。也可以配置初始参数加快自学习过程。StealthChop 2 通过对电机速度的变化立即做出反应，允许高的电机动态。

对于高动态的应用，spreadCycle是除StealthChop 2之外的选项。它可以通过输入引脚(独立模式)或SPI或UART接口配置。StealthChop 2和spreadCycle甚至可以结合使用，以达到两者的最佳效果:StealthChop2用于无噪音的静止状态，无声平滑的性能，spreadCycle用于高动态，低振动和最高的峰值速度。

spreadCycle是周期斩波模式。它在很宽的速度和负载范围内提供平稳的操作和良好的共振阻尼。SpreadCycle方案集成快衰减周期并自动调节，以保证平滑过零。

StealthChop 2优势:

显著改善了低成本电机的性能
电机运行平稳安静
绝对没有待机噪音
降低机械共振产生改善的扭矩

配置保持电流自动降低

CFG6: CONFIGURATION OF HOLD CURRENT REDUCTION

CFG6*	Chopper Setting
GND	不开启自动降低. IHOLD=IRUN
VCC_IO	开启自动降低，等于运行电流的一半. IHOLD=1/2 IRUN

当驱动到与 CFG5 不同的电平时，CFG6 引脚消耗大量电流 (20mA)，因为输出驱动器试图使 CFG6 电平等于 CFG5。因此，需要一个 0 欧姆的电阻来上拉/下拉 CFG6。因此，只有在外部 VCC_IO 电源为 3.3V 电平时，才建议将 CFG6 设置为与 CFG5 不同。

注意:
默认情况下DIAG输出未配置，但是它们可以在切换到独立模式之前使用SPI接口激活并配置。

SPI模式

SPI 接口是与总线时钟同步的位串行接口。对于从总线主机发送到总线从机的每一位，另一位同时从从机发送到主机。 SPI 主机和 TMC2160 从机之间的通信始终包括发送一个 40 位命令字和接收一个 40 位状态字。 SPI 命令速率通常是每个完整电机运动的几个命令。

使用SPI模式的时候，根据驱动器正面刻字或者上图所示，将拨码开关向下拨动，使其停在“SPI Mode”/“SPI”的位置，然后发送正确的信号到驱动器即可。信号输入只能从 2x5P DC3 插座处接入，使用随驱动器附赠的灰排线和SEXT10转接板即可直接连接到各类3D打印机主板。如果是其他控制板，则需要按照接口定义自行接线，与一般光耦隔离驱动器不同的是此处的“3.3-5V”“SGND”必须连接，用于为数字隔离器供电，且输入信号应与该供电共地。

参数设定

根据上方的公式，可以得出，SPI模式下的可以设置的电流如下：

I-peak	I-rms	Irun-setting
0.20	0.14	0
0.41	0.29	1
0.61	0.43	2
0.81	0.57	3
1.02	0.72	4
1.22	0.86	5
1.42	1.01	6
1.63	1.15	7
1.83	1.29	8
2.03	1.44	9
2.23	1.58	10
2.44	1.72	11
2.64	1.87	12
2.84	2.01	13
3.05	2.15	14
3.25	2.30	15
3.45	2.44	16
3.66	2.59	17
3.86	2.73	18
4.06	2.87	19
4.27	3.02	20
4.47	3.16	21
4.67	3.30	22
4.88	3.45	23
5.08	3.59	24
5.28	3.73	25
5.48	3.88	26
5.69	4.02	27
5.89	4.17	28
6.09	4.31	29
6.30	4.45	30
6.50	4.60	31

固件配置

Klipper

参考 TMC2130 的配置，如安装到蜘蛛板 x 轴，配置如下

[tmc2130 stepper_x]
# 软件 SPI 管脚定义
spi_software_mosi_pin: PE14
spi_software_miso_pin: PE13
spi_software_sclk_pin: PE12
cs_pin: PE7
interpolate: True # 采用自动 256 细分
# diag1_pin: PB14 
run_current: 0.800 # 运行电流
hold_current: 0.500 # 保持电流
sense_resistor: 0.05 # 采样电阻
#stealthchop_threshold: 99999 # stealthchop 阈值