基于TB6560的步进电机驱动电路设计

引言

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。驱动器接收到一个脉冲信号后，驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。首先，通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；其次，通过控制脉冲顿率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到涮速的目的。目前，步进电机具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点，在机电一体化产品中应用广泛，常用作定位控制和定速控制。步进电机驱动电路常用的芯片有L297和L298组合应用、 3977、8435等，这些芯片一般单相驱动电流在2 A左右，无法驱动更大功率电机，限制了其应用范围。本文基于东芝公司2008年推出的步进电机驱动芯片TB6560提出了一种步进电机驱动电路的设计方案。

1 步进电机驱动电路设计

1.1 TB6560简介

TB6560是东芝公司推出的低功耗、高集成两相混合式步进电机驱动芯片。其主要特点有：内部集成双全桥MOSFET驱动；最高耐压40 V，单相输出最大电流3.5 A(峰值)；具有整步、1／2、1／8、1／16细分方式；内置温度保护芯片，温度大于150℃时自动断开所有输出；具有过流保护；采用HZIP25封装。TB6560步进电机驱动电路主要包括3部分电路：控制信号隔离电路、主电路和自动半流电路。

1.2步进电机控制信号隔离电路

步进电机控制信号隔离电路如图1所示，步进电机控制信号有3个(CLK、CW、ENABLE)，分别控制电机的转角和速度、电机正反方向以及使能，均须用光耦隔离后与芯片连接。光耦的作用有两个：首先，防止电机干扰和损坏接口板电路；其次，对控制信号进行整形。对CLK、CW信号，要选择中速或高速光耦，保证信号耦合后不会发生滞后和畸变而影响电机驱动，且驱动板能满足更高脉冲频率驱动要求。本设计中选择2片6N137高速光耦隔离CLK、CW，其信号传输速率可达到10 MHz，1片TLP521普通光耦隔离ENABLE信号。应用时注意：光耦的同向和反向输出接法；光耦的前向和后向电源应该是单独隔离电源，否则不能起到隔离干扰的作用。



1.3步进电机主电路

如图2所示，步进电机主电路主要包括驱动电路和逻辑控制电路两大部分。



驱动电路电源采用28 V，电压范嗣为4.5～40 V，提高驱动电压可增大电机在高频范围转矩的输出，电压选择要根据使用情况而定。VMB、VMA为步进电机驱动电源引脚，应接入瓷片去耦电容和电解电容稳压。OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM引脚分别为电机2相输出接口，由于内部集成了续流二极管，这4个输出口不用像东芝公司的 8435驱动芯片那样外接二极管，从而极大地减小电路板的布线空间。NFA、NFB分别为电机A、B相最大驱动电流定义引脚，最大电流计算公式为IOUT(A)=0.5(V)／RNF(Ω)，若预先定义电机每相的最大驱动电流为2.5 A，取RNF=0.2 Ω，则PGNDA、PGNDB、SGND分别为电机A、B相驱动引脚地和逻辑电源地。

逻辑控制电路电源为5 V，VDD为逻辑电源引脚，应接入去耦电容和旁路电容减小干扰噪声；M0、PROTECT为工作状态和过流保护指示灯；RESET为芯片复位脚，低电平有效；OSC所接电容的大小决定了斩波器频率，推荐100～1 000 pF，斩波频率为400～44 kHz；M2、M1为细分设置引脚，外接拨码开关可设定不同的细分值，如整步、半步、1／8细分、1／16细分。由于步进电机在低频工作时，有振动大、噪声大的缺点，需要细分解决。

步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。DCY2、DCY1外接拨码开关设置电流衰减模式(0、25％、50％、100％)，用于满足不同的步进电机需要。由于电机本身状况、供电电源状况及脉冲频率等其他因素的影响，步进电机可能会产生高频噪声，通过电流衰减模式的设置可减小甚至消除这种噪声。图3显示了衰减模式为0和50％时线圈电流的变化，可看出波形具有明显的改善。



1.4步进电机自动半流电路

步进电机要减少发热，就要减少铜损和铁损。减少铜损就是减小电阻和电流，要求在选型时尽量选择电阻小和额定电流小的电机，但是这往往与力矩和高速的要求相抵触。对于已选定的电机，首先，应充分利用驱动器的自动半流控制功能和脱机功能，自动半流在电机处于静态时自动减小电流，脱机功能是将输出电机电流切断；其次，细分驱动器由于电流波形接近正弦，谐波少，电机发热也会较少。减少铁损与电机驱动电压有关，高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升，但也带来发热的增加。所以应当选择合适的驱动电压等级，兼顾高速性、平稳性和发热、噪声等指标。

为尽可能减小电机发熟，需要TB6560的TQ2和TQ1引脚电平在电机工作时设置为电流输出最大，在电机不工作时电流减半甚至更小，故称为“自动半流电路”。用NFA、NFB定义最大输出电流后，通过TQ2和TQ1设置电流比率输出，设为00、01、10、11时，输出的电流分别为最大电流的100％、 75％、50％、25％。改变电机的驱动电流，也就改变了电机输出扭矩的大小。自动半流电路设计选用可重复触发的单稳态电路芯片74CH123，用电机的驱动脉冲CLK作为单稳态电路的触发脉冲。单稳态电路的反向输出接TQ2引脚，电机驱动脉冲持续时TQ2一直保持低电平，无驱动脉冲时保持高电平。在图2 电路中，TQ1连接3个跳线帽。接跳线1，TQ2、TQ1始终同为高或低电平，驱动电流在25％～100％切换；接跳线2，TQ2始终为低，电流在 50％～100％切换；接跳线3，电流在25％～75％切换。可根据工作驱动电流需要选择不同跳线。