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基于TB6560的步進(jìn)電機驅動(dòng)電路設計

文章來(lái)源：永阜康科技更新時(shí)間：2017/10/10 17:44:00

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引言

步進(jìn)電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。驅動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號后，驅動(dòng)步進(jìn)電機按設定的方向轉動(dòng)一個(gè)固定的角度。首先，通過(guò)控制脈沖個(gè)數來(lái)控制角位移量，從而達到準確定位的目的；其次，通過(guò)控制脈沖頓率來(lái)控制電機轉動(dòng)的速度和加速度，從而達到涮速的目的。目前，步進(jìn)電機具有慣量低、定位精度高、無(wú)累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在機電一體化產(chǎn)品中應用廣泛，常用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機驅動(dòng)電路常用的芯片有L297和L298組合應用、 3977、8435等，這些芯片一般單相驅動(dòng)電流在2 A左右，無(wú)法驅動(dòng)更大功率電機，限制了其應用范圍。本文基于東芝公司2008年推出的步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片TB6560提出了一種步進(jìn)電機驅動(dòng)電路的設計方案。

1 步進(jìn)電機驅動(dòng)電路設計

1.1 TB6560簡(jiǎn)介

TB6560是東芝公司推出的低功耗、高集成兩相混合式步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片。其主要特點(diǎn)有：內部集成雙全橋MOSFET驅動(dòng)；最高耐壓40 V，單相輸出最大電流3.5 A(峰值)；具有整步、1／2、1／8、1／16細分方式；內置溫度保護芯片，溫度大于150℃時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)所有輸出；具有過(guò)流保護；采用HZIP25封裝。TB6560步進(jìn)電機驅動(dòng)電路主要包括3部分電路：控制信號隔離電路、主電路和自動(dòng)半流電路。

1.2步進(jìn)電機控制信號隔離電路

步進(jìn)電機控制信號隔離電路如圖1所示，步進(jìn)電機控制信號有3個(gè)(CLK、CW、ENABLE)，分別控制電機的轉角和速度、電機正反方向以及使能，均須用光耦隔離后與芯片連接。光耦的作用有兩個(gè)：首先，防止電機干擾和損壞接口板電路；其次，對控制信號進(jìn)行整形。對CLK、CW信號，要選擇中速或高速光耦，保證信號耦合后不會(huì )發(fā)生滯后和畸變而影響電機驅動(dòng)，且驅動(dòng)板能滿(mǎn)足更高脈沖頻率驅動(dòng)要求。本設計中選擇2片6N137高速光耦隔離CLK、CW，其信號傳輸速率可達到10 MHz，1片TLP521普通光耦隔離ENABLE信號。應用時(shí)注意：光耦的同向和反向輸出接法；光耦的前向和后向電源應該是單獨隔離電源，否則不能起到隔離干擾的作用。

1.3步進(jìn)電機主電路

如圖2所示，步進(jìn)電機主電路主要包括驅動(dòng)電路和邏輯控制電路兩大部分。

驅動(dòng)電路電源采用28 V，電壓范嗣為4.5～40 V，提高驅動(dòng)電壓可增大電機在高頻范圍轉矩的輸出，電壓選擇要根據使用情況而定。VMB、VMA為步進(jìn)電機驅動(dòng)電源引腳，應接入瓷片去耦電容和電解電容穩壓。OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM引腳分別為電機2相輸出接口，由于內部集成了續流二極管，這4個(gè)輸出口不用像東芝公司的 8435驅動(dòng)芯片那樣外接二極管，從而極大地減小電路板的布線(xiàn)空間。NFA、NFB分別為電機A、B相最大驅動(dòng)電流定義引腳，最大電流計算公式為IOUT(A)=0.5(V)／RNF(Ω)，若預先定義電機每相的最大驅動(dòng)電流為2.5 A，取RNF=0.2 Ω，則PGNDA、PGNDB、SGND分別為電機A、B相驅動(dòng)引腳地和邏輯電源地。

邏輯控制電路電源為5 V，VDD為邏輯電源引腳，應接入去耦電容和旁路電容減小干擾噪聲；M0、PROTECT為工作狀態(tài)和過(guò)流保護指示燈；RESET為芯片復位腳，低電平有效；OSC所接電容的大小決定了斬波器頻率，推薦100～1 000 pF，斬波頻率為400～44 kHz；M2、M1為細分設置引腳，外接撥碼開(kāi)關(guān)可設定不同的細分值，如整步、半步、1／8細分、1／16細分。由于步進(jìn)電機在低頻工作時(shí)，有振動(dòng)大、噪聲大的缺點(diǎn)，需要細分解決。

步進(jìn)電機的細分控制，從本質(zhì)上講是通過(guò)對步進(jìn)電機勵磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機內部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉磁場(chǎng)，從而實(shí)現步進(jìn)電機步距角的細分。一般情況下，合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機旋轉力矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。DCY2、DCY1外接撥碼開(kāi)關(guān)設置電流衰減模式(0、25％、50％、100％)，用于滿(mǎn)足不同的步進(jìn)電機需要。由于電機本身狀況、供電電源狀況及脈沖頻率等其他因素的影響，步進(jìn)電機可能會(huì )產(chǎn)生高頻噪聲，通過(guò)電流衰減模式的設置可減小甚至消除這種噪聲。圖3顯示了衰減模式為0和50％時(shí)線(xiàn)圈電流的變化，可看出波形具有明顯的改善。

1.4步進(jìn)電機自動(dòng)半流電路

步進(jìn)電機要減少發(fā)熱，就要減少銅損和鐵損。減少銅損就是減小電阻和電流，要求在選型時(shí)盡量選擇電阻小和額定電流小的電機，但是這往往與力矩和高速的要求相抵觸。對于已選定的電機，首先，應充分利用驅動(dòng)器的自動(dòng)半流控制功能和脫機功能，自動(dòng)半流在電機處于靜態(tài)時(shí)自動(dòng)減小電流，脫機功能是將輸出電機電流切斷；其次，細分驅動(dòng)器由于電流波形接近正弦，諧波少，電機發(fā)熱也會(huì )較少。減少鐵損與電機驅動(dòng)電壓有關(guān)，高壓驅動(dòng)的電機雖然會(huì )帶來(lái)高速特性的提升，但也帶來(lái)發(fā)熱的增加。所以應當選擇合適的驅動(dòng)電壓等級，兼顧高速性、平穩性和發(fā)熱、噪聲等指標。

為盡可能減小電機發(fā)熟，需要TB6560的TQ2和TQ1引腳電平在電機工作時(shí)設置為電流輸出最大，在電機不工作時(shí)電流減半甚至更小，故稱(chēng)為“自動(dòng)半流電路”。用NFA、NFB定義最大輸出電流后，通過(guò)TQ2和TQ1設置電流比率輸出，設為00、01、10、11時(shí)，輸出的電流分別為最大電流的100％、 75％、50％、25％。改變電機的驅動(dòng)電流，也就改變了電機輸出扭矩的大小。自動(dòng)半流電路設計選用可重復觸發(fā)的單穩態(tài)電路芯片74CH123，用電機的驅動(dòng)脈沖CLK作為單穩態(tài)電路的觸發(fā)脈沖。單穩態(tài)電路的反向輸出接TQ2引腳，電機驅動(dòng)脈沖持續時(shí)TQ2一直保持低電平，無(wú)驅動(dòng)脈沖時(shí)保持高電平。在圖2 電路中，TQ1連接3個(gè)跳線(xiàn)帽。接跳線(xiàn)1，TQ2、TQ1始終同為高或低電平，驅動(dòng)電流在25％～100％切換；接跳線(xiàn)2，TQ2始終為低，電流在 50％～100％切換；接跳線(xiàn)3，電流在25％～75％切換�？筛鶕ぷ黩寗�(dòng)電流需要選擇不同跳線(xiàn)。

2 步進(jìn)電機失步和越步問(wèn)題及解決方法

步進(jìn)電機中產(chǎn)生的同步力矩無(wú)法使轉子速度跟隨定子磁場(chǎng)的旋轉速度，從而引起失步。失步產(chǎn)生的主要原因及解決方法：

①步進(jìn)電機的轉矩不足，拖動(dòng)能力不夠，當驅動(dòng)脈沖頻率達到某臨界值開(kāi)始失步。由于步進(jìn)電機的動(dòng)態(tài)輸出轉矩隨著(zhù)連續運行頻率的上升而降低，因而凡是比該頻率高的工作頻率都將產(chǎn)生失步。

有3種解決方法：可使步進(jìn)電機產(chǎn)生的電磁轉矩增大，為此可在額定電流范圍內適當加大驅動(dòng)電流；在高頻范圍轉矩不足時(shí)，適當提高驅動(dòng)電路的驅動(dòng)電壓；改用轉矩大的步進(jìn)電動(dòng)機等，也可使步進(jìn)電機需要克服的轉矩減小，為此可適當降低電機運行頻率，以便提高電機的輸出轉矩。

②步進(jìn)電機起動(dòng)失步。由于步進(jìn)電機自身及所帶負載存在慣性，當加速時(shí)間過(guò)短時(shí)會(huì )出現這一現象。應該設置合理的加速時(shí)間，使電機從低速度平穩上升到某個(gè)速度。

③步進(jìn)電機產(chǎn)生共振也是引起失步的一個(gè)原因。步進(jìn)電機處于連續運行狀態(tài)時(shí)，如果控制脈沖的頻率等于步進(jìn)電機的固有頻率，將產(chǎn)生共振。在一個(gè)控制脈沖周期內，振動(dòng)尚未得到充分衰減，下一個(gè)脈沖就已來(lái)到，因而在共振頻率附近動(dòng)態(tài)誤差最大并導致步進(jìn)電機失步。解決方法：減小步進(jìn)電機的驅動(dòng)電流；采用細分驅動(dòng)方法和阻尼方法。

轉子在步進(jìn)過(guò)程中獲得過(guò)多的能量時(shí)，轉子的平均速度會(huì )高于定子磁場(chǎng)的平均旋轉速度，使得步進(jìn)電動(dòng)機產(chǎn)生的輸出轉矩增大，從而使步進(jìn)電機產(chǎn)生越步。

當步進(jìn)電機存在越步時(shí)，可減小步進(jìn)電動(dòng)機的驅動(dòng)電流，以便降低步進(jìn)電機的輸出轉矩或使減速時(shí)間加長(cháng)。

3 試驗結果

設計時(shí)應該保證芯片邏輯電壓低于驅動(dòng)電壓，否則芯片不能正常工作；在選取NFA、NFB檢流電阻時(shí)應選功率不小于2 W的無(wú)感電阻；對電機驅動(dòng)電源及驅動(dòng)輸出連線(xiàn)和地的印制板布線(xiàn)，應保證能穩定通過(guò)3 A電流；電源入口加熔斷器保護驅動(dòng)電路，以免電機的電流過(guò)大燒毀電路板。設計的驅動(dòng)器應用于雕刻機X、Y、Z三軸步進(jìn)電機的驅動(dòng)，經(jīng)過(guò)試驗，雕刻的樣品如圖4所示。從最終結果看，精度滿(mǎn)足目標要求。

結語(yǔ)

本文提出了基于TB6500的步進(jìn)電機驅動(dòng)電路設計方案，并給出了步進(jìn)電機失步和越步問(wèn)題的解決方法。試驗證明，效果良好，達到預期目標。

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