基于TB6560的步進電機驅(qū)動電路設(shè)計
[導讀]本文提出了基于TB6500的步進電機驅(qū)動電路設(shè)計方案，并給出了步進電機失步和越步問題的解決方法。試驗證明，效果良好，達到預(yù)期目標。
引言
步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。驅(qū)動器接收到一個脈沖信號后，驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。首先，通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；其次，通過控制脈沖頓率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到涮速的目的。目前，步進電機具有慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點，在機電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，常用作定位控制和定速控制。步進電機驅(qū)動電路常用的芯片有L297和L298組合應(yīng)用、3977、8435等，這些芯片一般單相驅(qū)動電流在2 A左右，無法驅(qū)動更大功率電機，限制了其應(yīng)用范圍。本文基于東芝公司2008年推出的步進電機驅(qū)動芯片TB6560提出了一種步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計方案。
1步進電機驅(qū)動電路設(shè)計
1.1 TB6560簡介
TB6560是東芝公司推出的低功耗、高集成兩相混合式步進電機驅(qū)動芯片。其主要特點有：內(nèi)部集成雙全橋MOSFET驅(qū)動；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(nèi)置溫度保護芯片，溫度大于150℃時自動斷開所有輸出；具有過流保護；采用HZIP25封裝。TB6560步進電機驅(qū)動電路主要包括3部分電路：控制信號隔離電路、主電路和自動半流電路。
1.2步進電機控制信號隔離電路
步進電機控制信號隔離電路如圖1所示，步進電機控制信號有3個(CLK、CW、ENABLE)，分別控制電機的轉(zhuǎn)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：首先，防止電機干擾和損壞接口板電路；其次，對控制信號進行整形。對CLK、CW信號，要選擇中速或高速光耦，保證信號耦合后不會發(fā)生滯后和畸變而影響電機驅(qū)動，且驅(qū)動板能滿足更高脈沖頻率驅(qū)動要求。本設(shè)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(yīng)用時注意：光耦的同向和反向輸出接法；光耦的前向和后向電源應(yīng)該是單獨隔離電源，否則不能起到隔離干擾的作用。
1.3步進電機主電路
如圖2所示，步進電機主電路主要包括驅(qū)動電路和邏輯控制電路兩大部分。
驅(qū)動電路電源采用28 V，電壓范嗣為4.5～40 V，提高驅(qū)動電壓可增大電機在高頻范圍轉(zhuǎn)矩的輸出，電壓選擇要根據(jù)使用情況而定。VMB、VMA為步進電機驅(qū)動電源引腳，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2相輸出接口，由于內(nèi)部集成了續(xù)流二極管，這4個輸出口不用像東芝公司的8435驅(qū)動芯片那樣外接二極管，從而極大地減小電路板的布線空間。NFA、NFB分別為電機A、B相最大驅(qū)動電流定義引腳，最大電流計算公式為IOUT(A)=0.5(V)／RNF(Ω)，若預(yù)先定義電機每相的最大驅(qū)動電流為2.5 A，取RNF=0.2 Ω，則PGNDA、PGNDB、SGND分別為電機A、B相驅(qū)動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)和過流保護指示燈；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為細分設(shè)置引腳，外接撥碼開關(guān)可設(shè)定不同的細分值，如整步、半步、1／8細分、1／16細分。由于步進電機在低頻工作時，有振動大、噪聲大的缺點，需要細分解決。
步進電機的細分控制，從本質(zhì)上講是通過對步進電機勵磁繞組中電流的控制，使步進電機內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。DCY2、DCY1外接撥碼開關(guān)設(shè)置電流衰減模式(0、25％、50％、100％)，用于滿足不同的步進電機需要。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，步進電機可能會產(chǎn)生高頻噪聲，通過電流衰減模式的設(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％時線圈電流的變化，可看出波形具有明顯的改善。
1.4步進電機自動半流電路
步進電機要減少發(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(yīng)充分利用驅(qū)動器的自動半流控制功能和脫機功能，自動半流在電機處于靜態(tài)時自動減小電流，脫機功能是將輸出電機電流切斷；其次，細分驅(qū)動器由于電流波形接近正弦，諧波少，電機發(fā)熱也會較少。減少鐵損與電機驅(qū)動電壓有關(guān)，高壓驅(qū)動的電機雖然會帶來高速特性的提升，但也帶來發(fā)熱的增加。所以應(yīng)當選擇合適的驅(qū)動電壓等級，兼顧高速性、平穩(wěn)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設(shè)置為電流輸出最大，在電機不工作時電流減半甚至更小，故稱為“自動半流電路”。用NFA、NFB定義最大輸出電流后，通過TQ2和TQ1設(shè)置電流比率輸出，設(shè)為00、01、10、11時，輸出的電流分別為最大電流的100％、75％、50％、25％。改變電機的驅(qū)動電流，也就改變了電機輸出扭矩的大小。自動半流電路設(shè)計選用可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路芯片74CH123，用電機的驅(qū)動脈沖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，電機驅(qū)動脈沖持續(xù)時TQ2一直保持低電平，無驅(qū)動脈沖時保持高電平。在圖2電路中，TQ1連接3個跳線帽。接跳線1，TQ2、TQ1始終同為高或低電平，驅(qū)動電流在25％～100％切換；接跳線2，TQ2始終為低，電流在50％～100％切換；接跳線3，電流在25％～75％切換?？筛鶕?jù)工作驅(qū)動電流需要選擇不同跳線。
2步進電機失步和越步問題及解決方法
步進電機中產(chǎn)生的同步力矩無法使轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場的旋轉(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步進電機的轉(zhuǎn)矩不足，拖動能力不夠，當驅(qū)動脈沖頻率達到某臨界值開始失步。由于步進電機的動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩隨著連續(xù)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：可使步進電機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大，為此可在額定電流范圍內(nèi)適當加大驅(qū)動電流；在高頻范圍轉(zhuǎn)矩不足時，適當提高驅(qū)動電路的驅(qū)動電壓；改用轉(zhuǎn)矩大的步進電動機等，也可使步進電機需要克服的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩。
②步進電機起動失步。由于步進電機自身及所帶負載存在慣性，當加速時間過短時會出現(xiàn)這一現(xiàn)象。應(yīng)該設(shè)置合理的加速時間，使電機從低速度平穩(wěn)上升到某個速度。
③步進電機產(chǎn)生共振也是引起失步的一個原因。步進電機處于連續(xù)運行狀態(tài)時，如果控制脈沖的頻率等于步進電機的固有頻率，將產(chǎn)生共振。在一個控制脈沖周期內(nèi)，振動尚未得到充分衰減，下一個脈沖就已來到，因而在共振頻率附近動態(tài)誤差最大并導致步進電機失步。解決方法：減小步進電機的驅(qū)動電流；采用細分驅(qū)動方法和阻尼方法。
轉(zhuǎn)子在步進過程中獲得過多的能量時，轉(zhuǎn)子的平均速度會高于定子磁場的平均旋轉(zhuǎn)速度，使得步進電動機產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩增大，從而使步進電機產(chǎn)生越步。
當步進電機存在越步時，可減小步進電動機的驅(qū)動電流，以便降低步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩或使減速時間加長。
3試驗結(jié)果
設(shè)計時應(yīng)該保證芯片邏輯電壓低于驅(qū)動電壓，否則芯片不能正常工作；在選取NFA、NFB檢流電阻時應(yīng)選功率不小于2 W的無感電阻；對電機驅(qū)動電源及驅(qū)動輸出連線和地的印制板布線，應(yīng)保證能穩(wěn)定通過3 A電流；電源入口加熔斷器保護驅(qū)動電路，以免電機的電流過大燒毀電路板。設(shè)計的驅(qū)動器應(yīng)用于雕刻機X、Y、Z三軸步進電機的驅(qū)動，經(jīng)過試驗，雕刻的樣品如圖4所示。從最終結(jié)果看，精度滿足目標要求。
結(jié)語
本文提出了基于TB6500的步進電機驅(qū)動電路設(shè)計方案，并給出了步進電機失步和越步問題的解決方法。試驗證明，效果良好，達到預(yù)期目標。
步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。驅(qū)動器接收到一個脈沖信號后，驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。首先，通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；其次，通過控制脈沖頓率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到涮速的目的。目前，步進電機具有慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點，在機電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，常用作定位控制和定速控制。步進電機驅(qū)動電路常用的芯片有L297和L298組合應(yīng)用、3977、8435等，這些芯片一般單相驅(qū)動電流在2 A左右，無法驅(qū)動更大功率電機，限制了其應(yīng)用范圍。本文基于東芝公司2008年推出的步進電機驅(qū)動芯片TB6560提出了一種步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計方案。
1步進電機驅(qū)動電路設(shè)計
1.1 TB6560簡介
TB6560是東芝公司推出的低功耗、高集成兩相混合式步進電機驅(qū)動芯片。其主要特點有：內(nèi)部集成雙全橋MOSFET驅(qū)動；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(nèi)置溫度保護芯片，溫度大于150℃時自動斷開所有輸出；具有過流保護；采用HZIP25封裝。TB6560步進電機驅(qū)動電路主要包括3部分電路：控制信號隔離電路、主電路和自動半流電路。
1.2步進電機控制信號隔離電路
步進電機控制信號隔離電路如圖1所示，步進電機控制信號有3個(CLK、CW、ENABLE)，分別控制電機的轉(zhuǎn)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：首先，防止電機干擾和損壞接口板電路；其次，對控制信號進行整形。對CLK、CW信號，要選擇中速或高速光耦，保證信號耦合后不會發(fā)生滯后和畸變而影響電機驅(qū)動，且驅(qū)動板能滿足更高脈沖頻率驅(qū)動要求。本設(shè)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(yīng)用時注意：光耦的同向和反向輸出接法；光耦的前向和后向電源應(yīng)該是單獨隔離電源，否則不能起到隔離干擾的作用。
1.3步進電機主電路
如圖2所示，步進電機主電路主要包括驅(qū)動電路和邏輯控制電路兩大部分。
驅(qū)動電路電源采用28 V，電壓范嗣為4.5～40 V，提高驅(qū)動電壓可增大電機在高頻范圍轉(zhuǎn)矩的輸出，電壓選擇要根據(jù)使用情況而定。VMB、VMA為步進電機驅(qū)動電源引腳，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2相輸出接口，由于內(nèi)部集成了續(xù)流二極管，這4個輸出口不用像東芝公司的8435驅(qū)動芯片那樣外接二極管，從而極大地減小電路板的布線空間。NFA、NFB分別為電機A、B相最大驅(qū)動電流定義引腳，最大電流計算公式為IOUT(A)=0.5(V)／RNF(Ω)，若預(yù)先定義電機每相的最大驅(qū)動電流為2.5 A，取RNF=0.2 Ω，則PGNDA、PGNDB、SGND分別為電機A、B相驅(qū)動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)和過流保護指示燈；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為細分設(shè)置引腳，外接撥碼開關(guān)可設(shè)定不同的細分值，如整步、半步、1／8細分、1／16細分。由于步進電機在低頻工作時，有振動大、噪聲大的缺點，需要細分解決。
步進電機的細分控制，從本質(zhì)上講是通過對步進電機勵磁繞組中電流的控制，使步進電機內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分。一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小。DCY2、DCY1外接撥碼開關(guān)設(shè)置電流衰減模式(0、25％、50％、100％)，用于滿足不同的步進電機需要。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，步進電機可能會產(chǎn)生高頻噪聲，通過電流衰減模式的設(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％時線圈電流的變化，可看出波形具有明顯的改善。
1.4步進電機自動半流電路
步進電機要減少發(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(yīng)充分利用驅(qū)動器的自動半流控制功能和脫機功能，自動半流在電機處于靜態(tài)時自動減小電流，脫機功能是將輸出電機電流切斷；其次，細分驅(qū)動器由于電流波形接近正弦，諧波少，電機發(fā)熱也會較少。減少鐵損與電機驅(qū)動電壓有關(guān)，高壓驅(qū)動的電機雖然會帶來高速特性的提升，但也帶來發(fā)熱的增加。所以應(yīng)當選擇合適的驅(qū)動電壓等級，兼顧高速性、平穩(wěn)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設(shè)置為電流輸出最大，在電機不工作時電流減半甚至更小，故稱為“自動半流電路”。用NFA、NFB定義最大輸出電流后，通過TQ2和TQ1設(shè)置電流比率輸出，設(shè)為00、01、10、11時，輸出的電流分別為最大電流的100％、75％、50％、25％。改變電機的驅(qū)動電流，也就改變了電機輸出扭矩的大小。自動半流電路設(shè)計選用可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路芯片74CH123，用電機的驅(qū)動脈沖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，電機驅(qū)動脈沖持續(xù)時TQ2一直保持低電平，無驅(qū)動脈沖時保持高電平。在圖2電路中，TQ1連接3個跳線帽。接跳線1，TQ2、TQ1始終同為高或低電平，驅(qū)動電流在25％～100％切換；接跳線2，TQ2始終為低，電流在50％～100％切換；接跳線3，電流在25％～75％切換?？筛鶕?jù)工作驅(qū)動電流需要選擇不同跳線。
2步進電機失步和越步問題及解決方法
步進電機中產(chǎn)生的同步力矩無法使轉(zhuǎn)子速度跟隨定子磁場的旋轉(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步進電機的轉(zhuǎn)矩不足，拖動能力不夠，當驅(qū)動脈沖頻率達到某臨界值開始失步。由于步進電機的動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩隨著連續(xù)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：可使步進電機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大，為此可在額定電流范圍內(nèi)適當加大驅(qū)動電流；在高頻范圍轉(zhuǎn)矩不足時，適當提高驅(qū)動電路的驅(qū)動電壓；改用轉(zhuǎn)矩大的步進電動機等，也可使步進電機需要克服的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩。
②步進電機起動失步。由于步進電機自身及所帶負載存在慣性，當加速時間過短時會出現(xiàn)這一現(xiàn)象。應(yīng)該設(shè)置合理的加速時間，使電機從低速度平穩(wěn)上升到某個速度。
③步進電機產(chǎn)生共振也是引起失步的一個原因。步進電機處于連續(xù)運行狀態(tài)時，如果控制脈沖的頻率等于步進電機的固有頻率，將產(chǎn)生共振。在一個控制脈沖周期內(nèi)，振動尚未得到充分衰減，下一個脈沖就已來到，因而在共振頻率附近動態(tài)誤差最大并導致步進電機失步。解決方法：減小步進電機的驅(qū)動電流；采用細分驅(qū)動方法和阻尼方法。
轉(zhuǎn)子在步進過程中獲得過多的能量時，轉(zhuǎn)子的平均速度會高于定子磁場的平均旋轉(zhuǎn)速度，使得步進電動機產(chǎn)生的輸出轉(zhuǎn)矩增大，從而使步進電機產(chǎn)生越步。
當步進電機存在越步時，可減小步進電動機的驅(qū)動電流，以便降低步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩或使減速時間加長。
3試驗結(jié)果
設(shè)計時應(yīng)該保證芯片邏輯電壓低于驅(qū)動電壓，否則芯片不能正常工作；在選取NFA、NFB檢流電阻時應(yīng)選功率不小于2 W的無感電阻；對電機驅(qū)動電源及驅(qū)動輸出連線和地的印制板布線，應(yīng)保證能穩(wěn)定通過3 A電流；電源入口加熔斷器保護驅(qū)動電路，以免電機的電流過大燒毀電路板。設(shè)計的驅(qū)動器應(yīng)用于雕刻機X、Y、Z三軸步進電機的驅(qū)動，經(jīng)過試驗，雕刻的樣品如圖4所示。從最終結(jié)果看，精度滿足目標要求。
結(jié)語
本文提出了基于TB6500的步進電機驅(qū)動電路設(shè)計方案，并給出了步進電機失步和越步問題的解決方法。試驗證明，效果良好，達到預(yù)期目標。
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