如何提高TMC5160编码器的检测精度

——雪山电子

     本文所使用的硬件测试环境是TMC5160步进电机开发板，链接如下：

https://item.taobao.com/item.htm?ft=t&id=875384867180

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        硬件注意事项：首先将步进电机的A+、A-、B+、B-电机相线接入开发板输出的A+、A-、B+、B-端口，然后将编码器的5V、GND、A、B信号接入开发板的Encoder连接器的5V、GND、A、B引脚，N信号不用接，如果是差分编码器的，A-、B-不用接，只取A+、B+信号，最后将DC24V电源连接到+24V、GND端口，尤其要注意电源的正负极性。

        上回说到TMC5160的编码器检测功能，似乎正常了，好像又没正常，就是有亿点点误差而已，FAE说是正常的。以我使用步进电机十多年的经验来看，这绝对不是误差这么简单的事，且听我娓娓道来。  

        本文只针对如何提高编码器的检测精度进行分析，前提条件是你已经掌握了TMC5160的编码器检测功能，已经基本能采集到正确的编码器数据了，没有掌握的去回看上一章节，否则会云里雾里，不知所云。

        TMC5160编码器检测有误差的事，最开始怀疑过电机的编码器精度太低？好几年前使用东莞某浓的步进电机时，发现编码器输出信号毛刺挺大，信号过冲严重，还和他们掰扯过一段时间。现在不得不找出压箱底的漂亮国的步进电机，带US品牌的编码器，编码器的价格是电机本身的20倍都不止，质量没得说。可是测试了US的编码器后，结果仍然不理想，误差也有1%多。然后又分别测了东莞某浓、常州某智、东方某达、山洋某气、某志的步进电机，编码器检测的精度都不高，没有达到预期效果。

        倘若说国产步进电机质量不好，那漂亮国的US、岛国的东方某达电机质量还是很好的，这个锅就只有让TMC5160来背了吗？TMC5160可是德国佬设计的，不至于精度这么低吧，让我们开启一段提高TMC5160的编码器精度的旅程吧！

        首先注意到一个现象，每次上电的时候，电机都会发出“咔”的一个声音，这是由于电机内部的线圈刚从没电状态，变化为有电的状态，内部刚建立磁场，而上一时刻的转子可能处于一个随机的位置，刚建立的磁场会让转子重新回到最近的另一个角度，所以会发出“咔”的声音，那这个抖动对编码器的检测有没有影响呢？我做了一个实验对比：

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        左边的数据是重新上电后，让电机正转51200，再反转回原点0位置时，编码器反馈的数据分别是50201、-960，和上一章提到的一样，只是有亿点点误差而已；右侧是上电后没有断电，按了一下单片机的复位，让程序重新跑起来，这样电机就不会发出“咔”的声音，可以看到TMC5160编码器检测的数据更接近于真实值了，电机实际走到了51200位置，编码器反馈的数据是51174，差了26步；电机再反向走到0位置时，编码器反馈的数据是12，大了12步。

        那我们每个产品都让老板安排一个人在机器旁边，专门负责按单片机的复位吧，啊哈哈，开个玩笑，这显然是不现实的，老板会让你直接出门右转。

        那该怎么解决呢？我们不妨在TMC5160初始化完毕后，电机正式运动之前，给他来个延时吧，稍作等待，避免电机刚上电抖动还没结束，就要开始运动了，有时候休息是为了更好的出发，电机也不例外。延时多少合适呢，管他三七四十九，先来个1000ms吧：
HAL_Delay(1000);   //延时1000ms再开始运动，消除电机上电抖动带来的影响

        我们来验证下结果：

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        嘿，你还别说，还真他娘的有用，上面两个图看起来数据完全一样，你们以为我是用的一个图？其实左边是上电后按复位按钮的结果，右边是程序里加了1000ms延时的结果，达到了相同的效果。这个误差嘛，从最开始的(51200-50210)/51200=1.95%，提高到了现在的(51200-51174)/51200=0.05%。

        可是还是有26步或者12步的误差啊，做为一个完美主义者，还想要继续提高TMC5160的编码器检测精度，这期间一度怀疑过TMC5160的运动曲线参数没有调试好，把起始速度、加减速、转折速度、最高速度挨个慢慢调整，每一个参数的调整后都仔细测试，额，这里又得省略3万多字的废话，直接告诉大家一个扎心的事实，没有用！

        事情一度陷入僵局，除夕那天晚上，看到远处的花炮充上云霄，煞是好看，明明发了通知不让放炮，还是有人要放炮。突然一个灵感涌上心头，还没有调过细分这个参数呢，一直用的TMC5160的最高细分256，改变下细分试试吧。马上在客厅把笔记本电脑摆开，迅速搭建测试环境，边看春晚，边调试程序，春晚演了什么没有太多印象了，只记得许仙和白素贞上春晚了，其他的一概不知。原谅我又跑题了。

        分别测试了256、128、64、32、16、8、4细分条件下，电机分别运动1圈、5圈、10圈，TMC5160的编码器检测结果，当然了，前提条件延时1000ms仍然存在。测试多圈的原因是短行程、中等行程、长行程的运动都要照顾到，测试结果如下：

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        当细分为256时，电机转起来像拖拉机一样慢慢悠悠，测试结果好像也不尽如人意，TMC5160的编码器反馈的结果误差还是挺大的，尤其是长行程的时候，比如5圈和10圈的运动，误差有正有负。

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        当细分为128时，电机转动得更加顺畅，速度更快了，测试结果也大有改观，当运动一圈25600步时，只少了13步，反向归零时少了6步；当运动5圈和10圈时，正向运动编码器反馈的数据都少了52步，反向归零时多了32步。在向好的一面发展，让期待下面的数据吧。

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        当细分为64时，电机启动像歼20一样迅速，测试结果更好了一点，当运动一圈12800步时，编码器检测多了9步，反向归零时少了19步；当运动5圈64000步时，编码器检测少了7步，反向归零时少了3步；当运动10圈128000步时，编码器检测少了4步，反向归零时少了63步。比128细分时，略有提高。

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        当细分为32时，电机启动更加快速，更加丝滑流畅了，声音真美妙。从以上三张图中可知，电机运动1圈、5圈、10圈时，TMC5160的编码器反馈的数据都只少了4步，反向归零时都只少了1步。熟悉的感觉又回来了，这才是正常现象，相差个三五步的，可以认为是测量误差所导致。

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        当细分为16时，电机启动更爽快了，干脆利落，声音悦耳。从以上三张图中可知，电机运动1圈、5圈、10圈时，TMC5160的编码器反馈的数据都只少了1步或者2步了，反向归零时做到一步不差。TMC5160的编码器检测精度越来越高，数据越来越稳定。

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        当细分为8时， 电机运动1圈、5圈、10圈时，TMC5160的编码器反馈的数据都只少了1步或者完全相等；反向归零时，TMC5160的编码器反馈的数据都只少了1步或者完全相等。

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        当细分为4时， 电机运动1圈、5圈、10圈时，TMC5160的编码器反馈的数据都只少了1步或者完全相等；反向归零时做到一步不差。

        可以看出，当电机的细分不同时，TMC5160的编码器检测的精度差异挺大，尤其是细分越高，编码器反馈的数据差距越大，当逐步降低细分时，TMC5160的编码器精度在逐步提高。当降低到32、16、8、4细分时，TMC5160的编码器检测精度达到一个比较稳定的状态，都只是相差一两个步数，这种状态才是正常的状态。

        后来又测试了东莞某浓、常州某智、东方某达、山洋某气、某志的带编码器步进电机，效果都是相差不大，为我们国产步进电机正名，啊哈哈！

        至此，提高TMC5160编码器检测精度的目的达到了，从最开始的相差八九百步，到最后的只相差一步，或者完全相等。这期间调试时每修改一个细分参数，就得重新计算编码器常数，然后重新编译、下载，付出了很多汗水，额，这好像是冬天，其实没有出汗，南方的冬天，虽然没有下雪，但是还是冷得很啊。

        好了这篇文章到这里就该告一个段落了，笔者文笔有限，或有错误，或者理解不周，欢迎向我指正，我的邮箱是595412008@qq.com，请勿加QQ，平时不登陆的，只用于查看邮件，谢谢！

                                                                                                                 ​​​​​​​  雪山电子

                                                                ​​​​​​​        ​​​​​​​        ​​​​​​​        ​​​​​​​        ​​​​​​​        ​​​​​​​        整理于2025年2月春节期间