基于TB6560的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

引言

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。首先，通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；其次，通過(guò)控制脈沖頓率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到涮速的目的。目前，步進(jìn)電機(jī)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(jī)電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，常用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路常用的芯片有L297和L298組合應(yīng)用、3977、8435等，這些芯片一般單相驅(qū)動(dòng)電流在2 A左右，無(wú)法驅(qū)動(dòng)更大功率電機(jī)，限制了其應(yīng)用范圍。本文基于東芝公司2008年推出的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6560提出了一種步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案。

1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

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(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。其主要特點(diǎn)有：內(nèi)部集成雙全橋MOSFET驅(qū)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(xì)分方式；內(nèi)置溫度保護(hù)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(hù)；采用HZIP25封裝。TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要包括3部分電路：控制信號(hào)隔離電路、主電路和自動(dòng)半流電路。

1.2步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)隔離電路

步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)隔離電路如圖1所示，步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)有3個(gè)(CLK、CW、ENABLE)，分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角和速度、電機(jī)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(jī)干擾和損壞接口板電路；其次，對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行整形。對(duì)CLK、CW信號(hào)，要選擇中速或高速光耦，保證信號(hào)耦合后不會(huì)發(fā)生滯后和畸變而影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)，且驅(qū)動(dòng)板能滿(mǎn)足更高脈沖頻率驅(qū)動(dòng)要求。本設(shè)計(jì)中選擇2片6N137高速光耦隔離CLK、CW，其信號(hào)傳輸速率可達(dá)到10 MHz，1片TLP521普通光耦隔離ENABLE信號(hào)。應(yīng)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(yīng)該是單獨(dú)隔離電源，否則不能起到隔離干擾的作用。



1.3步進(jìn)電機(jī)主電路

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

驅(qū)動(dòng)電路電源采用28 V，電壓范嗣為4.5～40 V，提高驅(qū)動(dòng)電壓可增大電機(jī)在高頻范圍轉(zhuǎn)矩的輸出，電壓選擇要根據(jù)使用情況而定。VMB、VMA為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源引腳，應(yīng)接入瓷片去耦電容和電解電容穩(wěn)壓。OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM引腳分別為電機(jī)2相輸出接口，由于內(nèi)部集成了續(xù)流二極管，這4個(gè)輸出口不用像東芝公司的8435驅(qū)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(jī)A、B相最大驅(qū)動(dòng)電流定義引腳，最大電流計(jì)算公式為I_OUT(A)=0.5(V)／R_NF(Ω)，若預(yù)先定義電機(jī)每相的最大驅(qū)動(dòng)電流為2.5 A，取R_NF=0.2 Ω，則PGNDA、PGNDB、SGND分別為電機(jī)A、B相驅(qū)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(yīng)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(hù)指示燈；RESET為芯片復(fù)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(xì)分設(shè)置引腳，外接撥碼開(kāi)關(guān)可設(shè)定不同的細(xì)分值，如整步、半步、1／8細(xì)分、1／16細(xì)分。由于步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時(shí)，有振動(dòng)大、噪聲大的缺點(diǎn)，需要細(xì)分解決。
步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分。一般情況下，合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)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(shè)置電流衰減模式(0、25％、50％、100％)，用于滿(mǎn)足不同的步進(jìn)電機(jī)需要。由于電機(jī)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(jī)可能會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲，通過(guò)電流衰減模式的設(shè)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(jī)自動(dòng)半流電路

步進(jìn)電機(jī)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(jī)，但是這往往與力矩和高速的要求相抵觸。對(duì)于已選定的電機(jī)，首先，應(yīng)充分利用驅(qū)動(dòng)器的自動(dòng)半流控制功能和脫機(jī)功能，自動(dòng)半流在電機(jī)處于靜態(tài)時(shí)自動(dòng)減小電流，脫機(jī)功能是將輸出電機(jī)電流切斷；其次，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器由于電流波形接近正弦，諧波少，電機(jī)發(fā)熱也會(huì)較少。減少鐵損與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓有關(guān)，高壓驅(qū)動(dòng)的電機(jī)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(yīng)當(dāng)選擇合適的驅(qū)動(dòng)電壓等級(jí)，兼顧高速性、平穩(wěn)性和發(fā)熱、噪聲等指標(biāo)。

為盡可能減小電機(jī)發(fā)熟，需要TB6560的TQ2和TQ1引腳電平在電機(jī)工作時(shí)設(shè)置為電流輸出最大，在電機(jī)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(shè)置電流比率輸出，設(shè)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(jī)的驅(qū)動(dòng)電流，也就改變了電機(jī)輸出扭矩的大小。自動(dòng)半流電路設(shè)計(jì)選用可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路芯片74CH123，用電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖CLK作為單穩(wěn)態(tài)電路的觸發(fā)脈沖。單穩(wěn)態(tài)電路的反向輸出接TQ2引腳，電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖持續(xù)時(shí)TQ2一直保持低電平，無(wú)驅(qū)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(qū)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。可根據(jù)工作驅(qū)動(dòng)電流需要選擇不同跳線(xiàn)。

2步進(jìn)電機(jī)失步和越步問(wèn)題及解決方法

步進(jìn)電機(jī)中產(chǎn)生的同步力矩?zé)o法使轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)矩不足，拖動(dòng)能力不夠，當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率達(dá)到某臨界值開(kāi)始失步。由于步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩隨著連續(xù)運(yùn)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(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大，為此可在額定電流范圍內(nèi)適當(dāng)加大驅(qū)動(dòng)電流；在高頻范圍轉(zhuǎn)矩不足時(shí)，適當(dāng)提高驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電壓；改用轉(zhuǎn)矩大的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等，也可使步進(jìn)電機(jī)需要克服的轉(zhuǎn)矩減小，為此可適當(dāng)降低電機(jī)運(yùn)行頻率，以便提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

②步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)失步。由于步進(jìn)電機(jī)自身及所帶負(fù)載存在慣性，當(dāng)加速時(shí)間過(guò)短時(shí)會(huì)出現(xiàn)這一現(xiàn)象。應(yīng)該設(shè)置合理的加速時(shí)間，使電機(jī)從低速度平穩(wěn)上升到某個(gè)速度。

③步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生共振也是引起失步的一個(gè)原因。步進(jìn)電機(jī)處于連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，如果控制脈沖的頻率等于步進(jìn)電機(jī)的固有頻率，將產(chǎn)生共振。在一個(gè)控制脈沖周期內(nèi)，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(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步。解決方法：減小步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流；采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法和阻尼方法。

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

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)存在越步時(shí)，可減小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流，以便降低步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩或使減速時(shí)間加長(zhǎng)。

3試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該保證芯片邏輯電壓低于驅(qū)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(yīng)選功率不小于2 W的無(wú)感電阻；對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源及驅(qū)動(dòng)輸出連線(xiàn)和地的印制板布線(xiàn)，應(yīng)保證能穩(wěn)定通過(guò)3 A電流；電源入口加熔斷器保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路，以免電機(jī)的電流過(guò)大燒毀電路板。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于雕刻機(jī)X、Y、Z三軸步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，雕刻的樣品如圖4所示。從最終結(jié)果看，精度滿(mǎn)足目標(biāo)要求。



結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于TB6500的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案，并給出了步進(jìn)電機(jī)失步和越步問(wèn)題的解決方法。試驗(yàn)證明，效果良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。