最新步进电机驱动芯片.docx
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最新步进电机驱动芯片.docx
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最新步进电机驱动芯片
【最新】步进电机驱动芯片
TMC429-I电机三轴联动驱动电路TRINAMIC步进电机驱动器
TMC429是小尺寸、高性价比的二相步进电机控制芯片。
它带有二个独立的SPI口,可分别与微处理器和带有SPI接口的步进电机驱动器相连以构成完整的系统。
其控制指令可由微处理器通过SPI接口给定。
TMC429提供了所有与数字运动控制有关的功能,包括位置控制、速度控制及微步控制等步进电机常用的控制功能。
这些功能如果让微处理器来完成,则需占用大量的系统资源,所以它的使用可将微处理器解放出来,以把资源用在接口的扩展和对步进电机的更高层次的控制上。
此外,TMC236也是TRINAMIC公司开发的带有串行接口的步进电机驱动器。
3个TMC236连结构成的菊花链(Daisychain)结构便是一种基于串行通讯的网络结构,可以使多个具有串行通信接口的设备以接力的方式传递数据。
TMC429可以通过SPI接口与它们相连接,以同时控制3个二相步进电机。
TMC429的主要特点如下:
●可以控制多达3轴的2相步进电机而且各轴之间可以独立运行
●与微控制芯片和驱动芯片通过简单的SPI通讯,使用简单,便于构成虚拟的闭环网络,控制器可以时刻得知驱动器的状态;也可以输出step/dir控制信号
●宽范围时钟频率,CUP时钟频率可高达32MHz
●内有24bit位置计数器
●根据微处理器给定的电机运动参数(位置,速度、加速度),依照梯形或三角形的速度由线产生驱动脉冲波形和顺序,来对电机进行位置和速度控制。
可以在电机运行过程中更改电机参数如速度,加速度,目标位置等。
●可微步控制。
最高256细分
●通过可编程电流比例控制,可以使电机在不同的工作状态下采用大小不同的工作电流。
控制电机工作可在8个档次上,分别是最大电流的12.5%、25%、37.5%、50%、62.5%、75%、87.5%、100%
●根据不同的应用提供有SSOP16、SOP24,QFN32三种封装可选
主要性能
可控制1-3个步进电机,自动斜坡轨迹生成
与主控制器SPI接口,接线简单
直接连接标准SPI电机驱动IC,也可通过step/dir传统控制方式
IC状态可读,SPI传输速率可编程最高可达1Mbit/S
CPU时钟频率范围宽,最高可达32MHz
内置24bit长度计数器,脉冲速度可达20kpps
细分可选(1,2,4,8,16,32,64),输出正弦电流波形可编程
运行时可更改参数如:
速度、加速度、位置值
“positionreached”直接触发到达目标位置
输出电流全程监控
低功耗,CPU4MHz时仅1.25mA
CMOS/TTL电平兼容,3.3V/5V
封装形式QFN32,SSOP16、SOP24可选。
前一阵用这个芯片做了个步进电机的驱动,其控制精度及稳定性都不错,有想了解的我发资料给你们。
有问题一起来交流。
步进电机驱动电路(驱动芯片pmm8713)
驱动电路如图4所示。
外接电阻Rt和电容Ct、内部定时比较器、复零晶体管、R-S触发器等构成单稳定时电路。
当输入端Vi+输入的电压大于Vi-输入端的电压时,f0输出逻辑低电平。
同时,电流源IR对电容CL充电。
电源Vcc也通过电阻Rt对电容Ct充电。
当电容Ct两端的充电电压大于Vcc的2/3时,输出端,f0输出逻辑高电平。
f0信号输出至PMM8713芯片的时钟端,该频率经PMM8713处理后,在A、B、C脚输出一定频率的驱动信号来控制功率三极管的导通时间,从而控制步进电机的转速。
方向控制电路由LM348四电路通用运算放大器构成。
外部方向控制信号通过LM348和基准电压构成电压比较电路。
当Vdi大于基准电压VH时,U3A输出为正,接至PMM8713的第4脚,控制输出端输出正相脉冲序列。
当Vdi小于基准电压VH时,输出端为负,接至PMM8713的第4脚,控制输出端输出负相脉冲序列,相应相驱动输出端输出正反向脉冲序列,从而控制步进电机的正反转。
由LM331给出的输入指令是输入时钟f0和方向指令DIR,这2个指令在PMM8713中经逻辑组合转换各相通断的时序逻辑信号。
PMM8713的相驱动输出端(PIN10~PIN13)的驱动电流达20mA以上,能直接驱动微型步进电机。
R1、C1为开机时自动初始化电路。
初上电的数十毫秒内R端为低电平,从而A~D端自动复位至初始状态。
如果外接的步进电机功率较大,PMM8713输出驱动端驱动能力不够,此时应设计功率放大驱动电路,然后再驱动步进电机。
PMM8713各相输出端的导通顺序逻辑信号送至功率驱动段转换成内部功率开关的基极(或栅极)驱动信号。
步进电机驱动方式按相绕组流过的电流是单向或双向可分为单极性和双极性驱动,通常,三相步进电饥采用单极性驱动。
从功率驱动级电路来分析,又有电压驱动和电流驱动之分。
本设计中采用串联电阻电压驱动方式。
在相绕组中串接一定阻值和功率的电阻,一方面减小了绕组回路的时间常数,同时又对低频和静止工作时的电流进行限制。
利用上述原理设计了一个自动闸阀控制器,闸阀的上下位置采用限位开关控制,利用相应的电路使限位开关的动作改变图5所示LM348比较电压输入端电压的大小,从而控制步进电机运转还是停转。
其工作原理;LM348的同相输入端为基准电压端,其反向输入端为比较电压输入端,当比较电压输入端的电压小于基准电压时,LM348的1引脚上输出高电平,使BD237导通,从而使步进电机能够实现正转或反转;当比较电压输入端的电压高于基准电压时,在LM348的1引脚上输出低电平,BD237截止,步进电机停转。
单片机驱动步进电机电路
步进电机驱动器系统电路原理如图3:
图3步进电机驱动器系统电路原理图
AT89C2051将控制脉冲从P1口的P1.4_P1.7输出,经74LS14反相后进入9014,经9014放大后控制光电开关,光电隔离后,由功率管TIP122将脉冲信号进行电压和电流放大,驱动步进电机的各相绕组。
使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动作。
图中L1为步进电机的一相绕组。
AT89C2051选用频率22MHz的晶振,选用较高晶振的目的是为了在方式2下尽量减小AT89C2051对上位机脉冲信号周期的影响。
图3中的RL1_RL4为绕组内阻,50Ω电阻是一外接电阻,起限流作用,也是一个改善回路时间常数的元件。
D1_D4为续流二极管,使电机绕组产生的反电动势通过续流二极管(D1_D4)而衰减掉,从而保护了功率管TIP122不受损坏。
在50Ω外接电阻上并联一个200μF电容,可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿,提高了步进电机的高频性能。
与续流二极管串联的200Ω电阻可减小回路的放电时间常数,使绕组中电流脉冲的后沿变陡,电流下降时间变小,也起到提高高频工作性能的作用。
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件。
步进电动机的输入量是脉冲序列,输出量则为相应的增量位移或步进运动。
正常运动情况下,它每转一周具有固定的步数;做连续步进运动时,其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不受电压波动和负载变化的影响。
由于步进电动机能直接接受数字量的控制,所以特别适宜采用微机进行控制。
1.步进电动机的种类
目前常用的有三种步进电动机:
(1)反应式步进电动机(VR)。
反应式步进电动机结构简单,生产成本低,步距角小;但动态性能差。
(2)永磁式步进电动机(PM)。
永磁式步进电动机出力大,动态性能好;但步距角大。
(3)混合式步进电动机(HB)。
混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点,它的步距角小,出力大,动态性能好,是目前性能最高的步进电动机。
它有时也称作永磁感应子式步进电动机。
2.步进电动机的工作原理
图1三相反应式步进电动机的结构示意图
1——定子 2——转子 3——定子绕组{{分页}}
图1是最常见的三相反应式步进电动机的剖面示意图。
电机的定子上有六个均布的磁极,其夹角是60o。
各磁极上套有线圈,按图1连成A、B、C三相绕组。
转子上均布40个小齿。
所以每个齿的齿距为θE=360o/40=9o,而定子每个磁极的极弧上也有5个小齿,且定子和转子的齿距和齿宽均相同。
由于定子和转子的小齿数目分别是30和40,其比值是一分数,这就产生了所谓的齿错位的情况。
若以A相磁极小齿和转子的小齿对齐,如图1,那么B相和C相磁极的齿就会分别和转子齿相错三分之一的齿距,即3o。
因此,B、C极下的磁阻比A磁极下的磁阻大。
若给B相通电,B相绕组产生定子磁场,其磁力线穿越B相磁极,并力图按磁阻最小的路径闭合,这就使转子受到反应转矩(磁阻转矩)的作用而转动,直到B磁极上的齿与转子齿对齐,恰好转子转过3o;此时A、C磁极下的齿又分别与转子齿错开三分之一齿距。
接着停止对B相绕组通电,而改为C相绕组通电,同理受反应转矩的作用,转子按顺时针方向再转过3o。
依次类推,当三相绕组按A→B→C→A顺序循环通电时,转子会按顺时针方向,以每个通电脉冲转动3o的规律步进式转动起来。
若改变通电顺序,按A→C→B→A顺序循环通电,则转子就按逆时针方向以每个通电脉冲转动3o的规律转动。
因为每一瞬间只有一相绕组通电,并且按三种通电状态循环通电,故称为单三拍运行方式。
单三拍运行时的步矩角θb为30o。
三相步进电动机还有两种通电方式,它们分别是双三拍运行,即按AB→BC→CA→AB顺序循环通电的方式,以及单、双六拍运行,即按A→AB→B→BC→C→CA→A顺序循环通电的方式。
六拍运行时的步矩角将减小一半。
反应式步进电动机的步距角可按下式计算:
θb=360o/NEr
(1)
式中 Er——转子齿数;
N——运行拍数,N=km,m为步进电动机的绕组相数,k=1或2。
3.步进电动机的驱动方法
步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作,而必须使用专用的步进电动机驱动器,如图2所示,它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元、保护单元等组成。
图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。
驱动单元与步进电动机直接耦合,也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口,这里予以简单介绍。
图2步进电动机驱动控制器
1. 单电压功率驱动接口
实用电路如图3所示。
在电机绕组回路中串有电阻Rs,使电机回路时间常数减小,高频时电机能产生较大的电磁转矩,还能缓解电机的低频共振现象,但它引起附加的损耗。
一般情况下,简单单电压驱动线路中,Rs是不可缺少的。
Rs对步进电动机单步响应的改善如图3(b)。
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图3单电压功率驱动接口及单步响应曲线
图4双电压功率驱动接口
2.双电压功率驱动接口
双电压驱动的功率接口如图4所示。
双电压驱动的基本思路是在较低(低频段)用较低的电压UL驱动,而在高速(高频段)时用较高的电压UH驱动。
这种功率接口需要两个控制信号,Uh为高压有效控制信号,U为脉冲调宽驱动控制信号。
图中,功率管TH和二极管DL构成电源转换电路。
当Uh低电平,TH关断,DL正偏置,低电压UL对绕组供电。
反之Uh高电平,TH导通,DL反偏,高电压UH对绕组供电。
这种电路可使电机在高频段也有较大出力,而静止锁定时功耗减小。
3.高低压功率驱动接口
图5高低压功率驱动接口
高低压功率驱动接口如图5所示。
高低压驱动的设计思想是,不论电机工作频率如何,均利用高电压UH供电来提高导通相绕组的电流前沿,而在前沿过后,用低电压UL来维持绕组的电流。
这一作用同样改善了驱动器的高频性能,而且不必再串联电阻Rs,消除了附加损耗。
高低压驱动功率接口也有两个输入控制信号Uh和Ul,它们应保持同步,且前沿在同一时刻跳变,如图5所示。
图中,高压管VTH的导通时间tl不能太大,也不能太小,太大时,电机电流过载;太小时,动态性能改善不明显。
一般可取1_3ms。
(当这个数值与电机的电气时间常数相当时比较合适)。
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4.斩波恒流功率驱动接口
恒流驱动的设计思想是,设法使导通相绕组的电流不论在锁定、低频、高频工作时均保持固定数值。
使电机具有恒转矩输出特性。
这是目前使用较多、效果较好的一种功率接口。
图6是斩波恒流功率接口原理图。
图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻,称为采样电阻。
当电流不大时,VT1和VT2同时受控于走步脉冲,当电流超过恒流给定的数值,VT2被封锁,电源U被切除。
由于电机绕组具有较大电感,此时靠二极管VD续流,维持绕组电流,电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。
此时电流将按指数曲线衰减,同样电流采样值将减小。
当电流小于恒流给定的数值,VT2导通,电源再次接通。
如此反复,电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上,形成小小的锯齿波,如图6所示。
图6斩波恒流功率驱动接口
斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号,其中u1是数字脉冲,u2是模拟信号。
这种功率接口的特点是:
高频响应大大提高,接近恒转矩输出特性,共振现象消除,但线路较复杂。
目前已有相应的集成功率模块可供采用。
5.升频升压功率驱动接口
为了进一步提高驱动系统的高频响应,可采用升频升压功率驱动接口。
这种接口对绕组提供的电压与电机的运行频率成线性关系。
它的主回路实际上是一个开关稳压电源,利用频率-电压变换器,将驱动脉冲的频率转换成直流电平,并用此电平去控制开关稳压电源的输入,这就构成了具有频率反馈的功率驱动接口。
6.集成功率驱动接口
目前已有多种用于小功率步进电动机的集成功率驱动接口电路可供选用。
L298芯片是一种H桥式驱动器,它设计成接受标准TTL逻辑电平信号,可用来驱动电感性负载。
H桥可承受46V电压,相电流高达2.5A。
L298(或_Q298,SGS298)的逻辑电路使用5V电源,功放级使用5_46V电压,下桥发射极均单独引出,以便接入电流取样电阻。
L298(等)采用15脚双列直插小瓦数式封装,工业品等级。
它的内部结构如图7所示。
H桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方向通电。
L298特别适用于对二相或四相步进电动机的驱动。
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图7L298原理框图
与L298类似的电路还有TER公司的3717,它是单H桥电路。
SGS公司的SG3635则是单桥臂电路,IR公司的IR2130则是三相桥电路,Allegro公司则有A2916、A3953等小功率驱动模块。
图8是使用L297(环形分配器专用芯片)和L298构成的具有恒流斩波功能的步进电动机驱动系统。
图8专用芯片构成的步进电动驱动系统
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