Dedicated Motion Controller for 2-/3-Phase PMSM
INTEGRATED CIRCUITS
TMC4671 Datasheet
IC Version V1.00 | Document Revision V1.03 • 2018-Sept-06
The TMC4671 is a fully integrated servo controller, providing Field Oriented Control for BLDC/PMSM
and 2-phase Stepper Motors as well as DC motors and voice coils. All control functions are imple-
mented in hardware. Integrated ADCs, position sensor interfaces, position interpolators, enable
a fully functional servo controller for a wide range of servo applications.
Features
• Servo Controller
w/ Field Oriented Control (FOC)
• Torque Control (FOC),
Velocity Control, Position Control
• Feed Forward Control Inputs
• Integrated ADCs,
∆Σ-ADC
Frontend
• Encoder Engine: Hall analog/digital,
Encoder analog/digital
• Supports 3-Phase PMSM/BLDC,
2-Phase Stepper Motors,
and DC Motors
• Advanced PWM Engine (25kHz. . . 100kHz)
• Application SPI + Debug (UART, SPI)
• Step-Direction Interface (S/D)
• E-Mobility
• Laboratory Automation
• Blowers
• Pumps
Applications
• Robotics
• Pick and Place Machines
• Factory Automation
Simpli ed Block Diagram
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TMC4671 Datasheet • IC Version V1.00 | Document Revision V1.03 • 2018-Sept-06
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Contents
1 Order Codes
2 Functional Summary
3 FOC Basics
3.1 Why FOC?
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 What is FOC?
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Why FOC as pure Hardware Solution?
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 How does FOC work?
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5 What is Required for FOC?
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.1 Coordinate Transformations - Clarke, Park, iClarke, iPark
. . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.2 Measurement of Stator Coil Currents
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.3 Stator Coil Currents I_U, I_V, I_W and Association to Terminal Voltages U_U, U_V, U_W
3.5.4 Measurement of Rotor Angle
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.5 Measured Rotor Angle vs. Magnetic Axis of Rotor vs. Magnetic Axis of Stator
. . . . .
3.5.6 Knowledge of Relevant Motor Parameters and Position Sensor (Encoder) Parameters
3.5.7 Proportional Integral (PI) Controllers for Closed Loop Current Control
. . . . . . . . . .
3.5.8 Pulse Width Modulation (PWM) and Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM)
.
3.5.9 Orientations, Models of Motors, and Coordinate Transformations
. . . . . . . . . . . .
4 Functional Description
4.1 Functional Blocks
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Communication Interfaces
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 SPI Slave User Interface
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 TRINAMIC Real-Time Monitoring Interface (SPI Master)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 UART Interface
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.4 Step/Direction Interface
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.5 Single Pin Interface
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3 Numerical Representation, Electrical Angle, Mechanical Angle, and Pole Pairs
. . . . . . . . .
4.3.1 Numerical Representation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2 N_POLE_PAIRS, PHI_E, PHI_M
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3 Numerical Representation of Angles PHI
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4 ADC Engine
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1 ADC Group A and ADC Group B
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.2 Internal Delta Sigma ADCs
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.3 External Delta Sigma ADCs
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5 Delta Sigma Con guration and Timing Con guration
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.1 Internal Delta Sigma Modulators - Mapping of V_RAW to ADC_RAW
. . . . . . . . . . .
4.5.2 External Delta Sigma Modulator Interface
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.3 ADC Con guration - MDAC
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6 Analog Signal Conditioning
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.1 FOC3 - Stator Coil Currents I_U, I_V, I_W and Association to Terminal Voltages U_U,
U_V, U_W
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.2 Stator Coil Currents I_X, I_Y and Association to Terminal Voltages U_X, U_Y
. . . . . . .
4.6.3 ADC Selector & ADC Scaler w/ Offset Correction
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7 Encoder Engine
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7.1 Open-Loop Encoder
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7.2 Incremental ABN Encoder
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7.3 Secondary Incremental ABN Encoder
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7.4 Digital Hall Sensor Interface with optional Interim Position Interpolation
. . . . . . . .
4.7.5 Digital Hall Sensor - Interim Position Interpolation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7.6 Digital Hall Sensors - Masking and Filtering
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.7.7 Digital Hall Sensors together with Incremental Encoder
. . . . . . . . . . . .
4.7.8 Analog Hall and Analog Encoder Interface (SinCos of 0° 90° or 0° 120° 240°)
4.7.9 Analog Position Decoder (SinCos of 0°90° or 0°120°240°)
. . . . . . . . . . .
4.7.10 Encoder Initialization Support
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7.11 Velocity Measurement
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7.12 Reference Switches
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8 FOC23 Engine
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.1 PI Controllers
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.2 PI Controller Calculations - Classic Structure
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.3 PI Controller Calculations - Advanced Structure
. . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.4 PI Controller - Clipping
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.5 PI Flux & PI Torque Controller
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.6 PI Velocity Controller
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.7 P Position Controller
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.8 Inner FOC Control Loop - Flux & Torque
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.9 FOC Transformations and PI(D) for control of Flux & Torque
. . . . . . . . . .
4.8.10 Motion Modes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8.11 Brake Chopper
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9 Filtering and Feed-Forward Control
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9.1 Biquad Filters
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9.2 Standard Velocity Filter
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.9.3 Feed-Forward Control Structure
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10 PWM Engine
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10.1 PWM Polarities
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10.2 PWM Frequency
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10.3 PWM Resolution
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10.4 PWM Modes
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10.5 Break-Before-Make (BBM)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10.6 Space Vector PWM (SVPWM)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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52
52
52
53
53
54
5 Safety Functions
54
5.1 Watchdog
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6 Register Map
56
6.1 Register Map Overview
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.2 Register Map Full
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7 Pinning
8 TMC4671 Pin Table
9 Electrical Characteristics
9.1 Absolute Maximum Ratings
9.2 Electrical Characteristics
. .
9.2.1 Operational Range
.
9.2.2 DC Characteristics
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. 146
. 146
. 148
10 Sample Circuits
10.1 Supply Pins
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2 Clock and Reset Circuitry
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3 Digital Encoder, Hall Sensor Interface and Reference Switches
10.4 Analog Frontend
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5 Phase Current Measurement
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.6 Power Stage Interface
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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11 Setup Guidelines
12 Package Dimensions
13 Supplemental Directives
13.1 Producer Information
. . . . . . . . .
13.2 Copyright
. . . . . . . . . . . . . . . . .
13.3 Trademark Designations and Symbols
13.4 Target User
. . . . . . . . . . . . . . . .
13.5 Disclaimer: Life Support Systems
. . .
13.6 Disclaimer: Intended Use
. . . . . . .
13.7 Collateral Documents & Tools
. . . . .
14 Errata
15 Figures Index
16 Tables Index
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. 152
. 152
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156
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17 Revision History
158
17.1 IC Revision
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
17.2 Document Revision
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1 Order Codes
Order Code
TMC4671-ES
TMC4671-EVAL
TMC4671-BOB
Description
TMC4671 FOC Servo Controller IC
TMC4671 Evaluation Board
TMC4671 Breakout Board
Table 1: Order codes
Size [mm
2
]
10.5 x 6.5
55 x 85
38 x 40
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