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=½ 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