В статье приводится подробное описание микросхемы TB6560 – драйвера биполярного шагового двигателя.
Производит микросхему компания TOSHIBA. Статья написана по технической документации этой фирмы. Исходные материалы (datasheet) по микросхеме TB6560 можно посмотреть в формате PDF по этой ссылке TB6560AHQ.pdf.
- Общее описание.
- Конструктивное исполнение микросхемы.
- Структурная схема.
- Назначение выводов TB6560.
- Схемотехника входов и выходов микросхемы TB6560.
- Параметры и характеристики TB6560.
- Описание функциональных возможностей TB6560.
- Диаграммы работы микросхемы.
- Режимы спада тока обмоток (Decay Mode).
- Эффект от использования режимов спада тока обмоток.
- Рекомендации по применению TB6560.
- Чертежи вариантов корпусов TB6560.
TB6560 это специализированная микросхема драйвера шагового двигателя. Практически это готовый контроллер биполярных шаговых двигателей с интерфейсом Step/Dir.
Коротко перечислю основные возможности микросхемы TB6560.
- Микросхема предназначена для создания контроллеров двух фазных биполярных шаговых двигателей.
- Имеет интерфейс STEP/DIR/ENABLE.
- Максимальный ток фазы 3,5 А для TB6560AHQ и 2,5 А для TB6560AFG.
- Обеспечивает стабилизацию фазных токов на заданном уровне.
- Номинальный ток фазы задается резисторами-датчиками тока для каждой фазы отдельно.
- Рабочий ток (момент) может быть изменен состоянием сигналов на цифровых входах TB6560. Возможны следующие варианты: 20%, 50%, 75% и 100% от номинального тока.
- Имеет следующие режимы работы:
- шаговый;
- полу шаговый;
- микро шаговый 1/8 шага;
- микро шаговый 1/16 шага.
- Обеспечивает 4 режима коммутации с разной скоростью спада тока обмоток: 0%, 25%, 50% и 100%.
- В микро шаговом режиме обеспечивает синусоидальную форму фазных токов, что снижает шумы и вибрации.
- Содержит высоковольтные силовые ключи, выполненные по технологии BiCD с сопротивлением в открытом состоянии не более 0,6 Ом и напряжением до 40 В.
- Цифровые входы подтянуты к земле резисторами 100 кОм.
- Имеет встроенную защиту от перегрева.
И все это в одной микросхеме. Достаточно подключить:
- двигатель непосредственно к выводам TB6560;
- резисторы-датчики тока;
- задать нужные уровни на управляющих входах;
и получится полноценный STEP/DIR контроллер шагового двигателя.
Конструктивное исполнение микросхемы.
Микросхема TB6560 выполнена в корпусах двух вариантов.
| Номер вывода | Вход /выход |
Обозначение | Назначение | |
| TB6560AHQ | TB6560AFG | |||
| 1 | 42 | вход | TQ2 | Входы установки крутящего момента (рабочего тока) |
| 2 | 43 | вход | TQ1 | |
| 3 | 45 | вход | CLK | Тактовый вход (STEP) . Импульс инициирует один шаг. |
| 4 | 47 | Вход | ENABLE | Высокий уровень разрешает работу драйвера. Низкий уровень – отключает все выходы. |
| 5 | 48 | Вход | RESET | Низкий уровень вызывает сброс. |
| 6 | 50, 51 | - | SGND | Сигнальная земля. |
| 7 | 53 | - | OSC | Вход подключения конденсатора RC генератора, задающего частоту дискретизации выходов. |
| 8 | 55, 56 | Вход | Vmb | Напряжение питания двигателя (фаза B) |
| 9 | 61, 62 | выход | OUT_BM | Выход фазы B (отрицательный) |
| 10 | 64 | - | PGNDB | Силовая земля |
| 11 | 2, 4 | - | Nfb | Токовый выход фазы B для датчика тока (резистора). |
| 12 | 6, 7 | выход | OUT_BP | Выход фазы B (положительный) |
| 13 | 10, 11 | выход | OUT_AM | Выход фазы A (отрицательный) |
| 14 | 13, 14 | - | Nfa | Токовый выход фазы A для датчика тока (резистора). |
| 15 | 16 | - | PGNDA | Силовая земля |
| 16 | 19, 20 | выход | OUT_AP | Выход фазы A (положительный) |
| 17 | 23 | выход | Mo | Выход индикации начального состояния диаграммы. Открытый коллектор, в начальном состоянии замкнут. |
| 18 | 25, 26 | Вход | Vma | Напряжение питания двигателя (фаза A) |
| 19 | 28 | выход | Protect | Выход индикации срабатывания защиты по перегреву. Открытый коллектор, при перегреве замкнут. |
| 20 | 30, 31 | Вход | Vdd | Питание управляющей части. |
| 21 | 33 | Вход | CW/CCW | Выбор направления вращения (DIR). Низкий уровень прямое, высокий – реверсивное. |
| 22 | 35 | Вход | M2 | Выбор режима (шаг, полушаг, микрошаг). |
| 23 | 36 | Вход | M1 | |
| 24 | 38 | Вход | DCY2 | Выбор режима спада тока обмоток. |
| 25 | 39 | вход | DCY1 | |
Схемотехника входов и выходов микросхемы TB6560.
Все цифровые входы (TQ1, TQ2, CLK, ENABLE, RESET, CW/CCW, M1, M2, DCY1, DCY2) имеют следующую схему.
Все цифровые входы TB6560:
- подключены к земле через подтягивающие резисторы сопротивлением 100 кОм ;
- имеют защитный диод, исключающий отрицательное напряжение на входе;
- имеют защитный диод, ограничивающий напряжение на входе на уровне Vdd (+5В).
Цифровые выходы (Mo, Protect) имеют схему с общим коллектором.
Активное состояние – замкнутый ключ.
Предельно допустимые параметры TB6560 (Tокр. = 25 °C).
| Параметр | Обозначение | Значение | Ед. изм. | |
|
Напряжение питания |
VDD | 6 |
В |
|
| VMA/B | 40 | |||
| Выходной ток пиковый | HQ | IO (PEAK) | 3.5 | А на фазу |
| FG | 2.5 | |||
| Втекающий ток выхода MO | I (MO) | 1 | мА | |
| Входное напряжение | VIN | 5.5 | В | |
| Мощность рассеивания | HQ | Pd | 5 (1) | Вт |
| 43 (2) | ||||
| FG | 1.7 (3) | |||
| 4.2 (4) | ||||
| Рабочая температура | Topr | -30 … +85 | °C | |
| Температура хранения | Tstg | -55 … +150 | °C | |
- Tокр. = 25 °C, без радиатора.
- Tокр. = 25 °C, с идеальным (бесконечных размеров) радиатором.
- Tокр. = 25 °C, выводы запаяны.
- Tокр. = 25 °C, микросхема установлена на 4х слойной плате.
Рабочие параметры (Tокр. = 0 … +85°C).
Рабочие параметры (Tокр. = -30 … +85°C).
| Параметр | Обозначение | Условия | Мин. | Тип. | Макс | Ед. изм. | |
| Напряжение питания | Vdd | - | 4.5 | 5.0 | 5.5 | В | |
| Vma/b | Vma/b >= Vdd | 4.5 | - | (34) | В | ||
| Выходной ток | HQ | Iout | - | - | - | 3 |
А |
| FG | - | - | 1.5 | ||||
| Входное напряжение | Vin | - | 0 | - | 5.5 | В | |
| Частота тактирования | fclk | - | - | - | 15 | кГц | |
| Частота задающего генератора | fOSC | - | - | - | 600 | кГц | |
Электрические характеристики (Tокр. = 25°C, Vdd = 5 В, Vm = 24 В).
| Параметр | Обозначение | Условие | Мин. | Тип. | Макс. | Ед. изм. |
| Входное напряжение | Vin(H) | M1, M2, CW/CCW, CLK, RESET, ENABLE, DECAY, TQ1, TQ2, ISD
|
2,0 | - | Vdd | В |
| Vin(L) | - 0,2 | - | 0,8 | |||
| Гистерезис входного напряжения | Vh | - | 400 | - | мВ | |
| Входной ток | Iin (H) | M1, M2, CW/CCW, CLK, RESET, ENABLE, DECAY, TQ1, TQ2, ISD
Vin = 5 В |
30 | 55 | 80 | мкА |
| Iin (L) | Vin = 0 В | - | - | 1 | ||
| Потребляемый ток (вывод Vdd) | Idd1 | RESET : H, ENABLE: H (шаг, полушаг) | - | 3 | 5 | мА |
| Idd2 | RESET : H, ENABLE: H (микрошаг) | - | 3 | 5 | ||
| Idd3 | RESET : L, ENABLE: L | - | 2 | 5 | ||
| Idd4 | RESET : H, ENABLE: L | - | 2 | 5 | ||
| Потребляемый ток (вывод Vm) | Im1 | RESET : H/L, ENABLE: L | - | 0,5 | 1 | мА |
| Im2 | RESET : H/L, ENABLE: H | - | 0,7 | 2 | ||
| Погрешность выходных каналов | ΔVo | B/A, Cosc = 0.0033 мкФ | - 5 | - | 5 | % |
| Отклонения рабочего тока | Vnfhh | TQ1 = H, TQ2 = H | 10 | 20 | 20 | % |
| Vnfhl | TQ1 = L, TQ2 = H | 47 | 50 | 55 | ||
| Vnflh | TQ1 = H, TQ2 = L | 70 | 75 | 80 | ||
| Vnfll | TQ1 = L, TQ2 = L | 100 | ||||
| Минимальная длительность тактовых импульсов | Tw (clk) | C = 330 пкФ | - | 7,7 | - | мкс |
| Напряжение падения на выходе Mo | Vol Mo | Iol = 1 мА | - | - | 0,5 | В |
| Температура срабатывания защиты от перегрева | TSD | - | 170 | - | °C | |
| Гистерезис защиты от перегрева | TSDhys | - | 20 | - | °C | |
| Частота генератора | Fosq | C = 330 пкФ | 60 | 130 | 200 | кГц |
Электрические характеристики выходного блока (Tокр. = 25°C, Vdd = 5 В, Vm = 24 В).
| Параметр | Обозначение | Условия | Мин | Тип | Макс | Ед. Изм. | |||||
| Сопротивление открытых ключей |
AHQ |
Ron U1H | IOUT = 1.5 A | - | 0.3 | 0.4 | Ом | ||||
| Ron L1H | - | 0.3 | 0.4 | ||||||||
|
AFG |
Ron U1F | IOUT = 1.5 A | - | 0.35 | 0.5 | ||||||
| Ron L1F | - | 0.35 | 0.5 | ||||||||
| Т о кф а з ы |
Микро шаг 1/16 | микро шаг 1/8 | полу шаг | Vector | Φ= 0 | TQ1=L, TQ2=L | - | 100 | - |
% |
|
| - | - | Φ= 1/16 | - | 100 | - | ||||||
| микро шаг 1/8 | - | Φ= 2/16 | 93 | 98 | 100 | ||||||
| - | - | Φ= 3/16 | 91 | 96 | 100 | ||||||
| микро шаг 1/8 | - | Φ= 4/16 | 87 | 92 | 97 | ||||||
| - | - | Φ= 5/16 | 83 | 88 | 93 | ||||||
| микро шаг 1/8 | - | Φ= 6/16 | 78 | 83 | 88 | ||||||
| - | - | Φ= 7/16 | 72 | 77 | 82 | ||||||
| микро шаг 1/8 | полу шаг | Φ= 8/16 | 66 | 71 | 76 | ||||||
| - | - | Φ= 9/16 | 58 | 63 | 68 | ||||||
| микро шаг 1/8 |
- |
Φ= 10/16 | 51 | 56 | 61 | ||||||
| - | - | Φ= 11/16 | 42 | 47 | 52 | ||||||
| микро шаг 1/8 | - | Φ= 12/16 | 33 | 38 | 43 | ||||||
| - | - | Φ= 13/16 | 24 | 29 | 34 | ||||||
| микро шаг 1/8 |
- |
Φ= 14/16 | 15 | 20 | 25 | ||||||
| - | - | Φ= 15/16 | 5 | 10 | 15 | ||||||
| Шаг | - | - | 100 | - | |||||||
| Опорное напряжение | Vnf | TQ1, TQ2=L (100%) OSC =100 кГц | 450 | 500 | 550 | мВ | |||||
| Динамические характеристики выходного транзистора | tr | RL=2 Ом, Vnf=0 В, CL=15 пкФ | - | 0.1 | - | мкс | |||||
| tf | - | 0.1 | - | ||||||||
| Время задержки | tpLH | от RESET к выходу | - | 0.1 | - | ||||||
| tpLH | от ENABLE к выходу | - | 0.3 | - | |||||||
| tpHL | - | 0.2 | - | ||||||||
|
Ток утечки выхода |
Верхний ключ | ILH | VM =40 В | - | - | 1 |
мкА |
||||
| Нижний ключ | ILL | - | - | 1 | |||||||
Описание функциональных возможностей TB6560.
1. Режимы работы.
Входы M1 и M2 задают режим работы шагового двигателя.
| Состояние входов | Режим | |
| M2 | M1 | |
| L | L | шаговый |
| L | H | полушаговый |
| H | L | микро шаговый 1/8 шага |
| H | H | микро шаговый 1/16 шага |
Выводы M1, M2, как и остальные цифровые входы (TQ1, TQ2, CLK, ENABLE, RESET, CW/CCW, DCY1, DCY2) подключены к земле через подтягивающие резисторы сопротивлением 100 кОм. Поэтому брошенные входы имеют состояние низкого уровня (L).
2. Управление драйвером.
Низкий уровень сигнала ENABLE отключает выходные ключи драйвера.
| Состояние входов |
Режим |
|||
| CLK | CW/CCW | RESET | ENABLE | |
| _-- | L | H | H | Прямое направление вращения |
| _-- | H | H | H | Реверсивное направление вращения |
| X | X | L | H | Режим инициализации |
| X | X | X | L | Выход отключен |
Ниже описан режим инициализации (по сигналу RESET). Состояния входов CLC и CW/CC в этом режиме не имеют значения.
3. Режим инициализации.
Состояние токов фаз при активном сигнале RESET (RESET = L ) показаны в таблице. Выход Mo в этом режиме находится в низком уровне (замкнут на землю).
| Режим | Ток фазы A | Ток фазы B |
| Шаговый | 100% | -100% |
| Полушаговый | 100% | 0% |
| Микро шаговый 1/8 шага |
100% | 0% |
| Микро шаговый 1/16 шага |
100% | 0% |
4. Установка скорости спада тока (Current Decay Settings).
- Существуют 4 режима спада тока обмоток двигателя:
- 0% - выход находится только в режиме медленного спада тока;
- 25% - выход переходит в режим быстрого спада тока на последнем интервале;
- 50% - выход переходит в режим быстрого спада тока на двух последних интервалах;
- 100% - выход находится в режиме быстрого спада тока на всех четырех интервалах.
| Dcy2 | Dcy1 | Режим спада тока обмоток |
| L | L | 0% |
| L | H | 25% |
| H | L | 50% |
| H | H | 100% |
Режимы подробно описаны ниже.
5. Установка рабочего тока (крутящего момента).
Номинальные токи фаз задаются сопротивлением резисторов-датчиков тока, подключенных к выводам Nfa и Nfb. Дополнительно рабочий ток, а значит и крутящий момент, может быть уменьшен с помощью входов TQ1, TQ2.
| TQ2 | TQ1 | Ток фазы (крутящий момент) |
| L | L | 100% |
| L | H | 75% |
| H | L | 50% |
| H | H | 20% (слабый ток) |
Уменьшение тока до режима ”слабого тока” (20%) можно использовать для удержания ротора остановленного двигателя.
6. Выходы Protect и Mo.
- Выход Protect индицирует срабатывание защиты от перегрева.
- Выход Mo – показывает, что диаграмма состояния фазных коммутаций находится в начальном состоянии.
Оба выхода типа открытый коллектор, т.е. имеют состояния: замыкание на землю и разрыв. Требуют подтягивающие резисторы, подключенные к шине питания + 5 В.
Активное состояние – низкий уровень (замыкание на землю).
| Состояние выхода | Protect | Mo |
| Низкий уровень (замкнут на землю) | Перегрев | Начальное состояние диаграммы |
| Разрыв | Нормальная работа | Все другие состояния |
7. Задающий генератор.
Время выходных коммутаций определяется частотой задающего RC генератора. Определяется емкостью конденсатора, подключенного к выводу OSC.
| Емкость конденсатора | Частота генератора |
| 1000 пкФ | 44 кГц |
| 330 пкФ | 130 кГц |
| 100 пкФ | 400 кГц |
Погрешность частоты может достигать ± 30 %.
Шаговый режим.
Полу шаговый режим.
Микро шаговый режим 1/8 шага.
Микро шаговый режим 1/16 шага.
Сигнал ENABLE в полу шаговом режиме.
По диаграмме видно, что запрещающий (низкий) уровень сигнала ENABLE отключает только выходные ключи. Внутренняя логика микросхемы продолжает обрабатывать входной тактовый сигнал.
Реакция на сигнал RESET в полу шаговом режиме.
По активному сигналу RESET (низкий уровень) логика микросхемы устанавливает начальное состояние диаграммы. По возвращению RESET в неактивный (высокий) уровень микросхема продолжает обрабатывать входные тактовые импульсы.
Режимы спада тока обмоток (Decay Mode).
ШИМ в микросхеме TB6560 реализован не цифровым способом (счетчик, цифровой компаратор …), а релейным методом. При достижении тока обмотки заданного значения (NF) аналоговый компаратор выключает ключи. Управление ключами синхронизировано с частотой задающего генератора, и период управления ШИМ соответствует 4 тактовым импульсам генератора. Т.е. правильнее сказать, что это синхронный релейный регулятор.
Обмотки шагового двигателя обладают значительной индуктивностью. При выключении ключей ток обмоток не может прекратиться мгновенно и продолжает течь в том же направлении. Образуется цепь разряда тока: обмотка, защитные диоды, источник питания.
Для ускорения спада тока существуют два варианта коммутации ключей, названные медленным и быстрым (форсированным) режимами.
На первом рисунке рабочий режим коммутации. Ключи открыты, ток обмотки нарастает в выбранной полярности.
Второй рисунок показывает медленный режим спада тока при выключении. Открываются оба нижних ключа, через них и происходит разряд тока. Катушка замыкается и это является более эффективным способом, чем разряд через диоды на источник питания, когда закрыты все ключи.
Самый эффективный, быстрый способ спада тока показан на третьем рисунке. Открываются противоположные ключи, и на обмотку подается обратное напряжение.
Логика микросхемы отрабатывает 4 режима спада тока обмоток:
- 0% - после выключения ключи коммутируются в режим медленного спада тока;
- 25% - после выключения ключи коммутируются в режим медленного спада тока, а на последнем интервале переходят в форсированный режим;
- 50% - после выключения ключи коммутируются в режим медленного спада тока, а на двух последних интервалах переходят в форсированный режим;
- 100% - используется режим быстрого спада тока на всех четырех интервалах.
Эффект от использования режимов спада тока обмоток.
- С одной стороны желательно, чтобы форма тока обмоток была плавной, близкой к синусоидальной. Меньше помех, пульсаций, шумов, вибраций.
- С другой стороны медленный спад тока может нарушить пропорции между токами обмоток, что крайне важно в микро шаговом режиме. Естественно, это важно на больших скоростях вращения, а значит при высокой частоте коммутации обмоток двигателя.
Вывод, что режимы форсированного спада тока обмоток надо использовать в микро шаговых режимах с высокой скоростью вращения двигателя. Большое значение также имеет индуктивность обмоток двигателя.
Примеры диаграмм изменения токов фазных обмоток в разных режимах спада тока.
Рекомендации по применению TB6560.
1. Включение питания.
Микросхема требует строгого соблюдения последовательности подачи питающих напряжений: сначала Vdd, затем Vma/b.
Дополнительно рекомендуется в момент подачи питания обеспечить на управляющих входах TB6560 низкие уровни сигналов.
Внутренняя логика микросхемы начинает формировать рабочую диаграмму после перехода сигнала RESET в высокий уровень, а на выходе ключей сигналы появляются при высоком уровне сигнала ENABLE. Поэтому рекомендуется следующая последовательность управляющих сигналов.
2. Установка номинального тока фазы.
Номинальный ток задается для каждой фазы отдельно внешними резисторами, подключенными к выводам Nfa и Nfb.
При максимальном рабочем токе напряжение на выводах Nfa, Nfb составляет 0,5 В. Поэтому ток вычисляется как I = 0,5 / Rnf. Например, для номинального тока фазы 1 А резисторы должны иметь сопротивление 0,5 Ом.
Необходимо помнить, что через эти резисторы полностью протекают фазные токи, т.е. резисторы должны иметь соответствующую мощность рассеивания. Например, для тока 1 А мощность резисторов должна быть не менее 0,5 Вт.
3. Установка частоты задающего генератора.
Частота генератора задается внешним конденсатором, подключенным к выводу OSC. Производитель микросхемы компания Toshiba рекомендует использовать конденсатор емкостью от 100 до 3300 пкФ. Приблизительно частота генератора может быть рассчитана по следующей формуле:
Fosc = 1 / (Cosc * 1,5 * (10 / Cosc + 1) / 66) * 1000 кГц.
4. Рассеиваемая мощность.
Мощность рассеивания микросхемы может быть вычислена по формуле:
P = Vdd * Idd + Iout * Ron * 2 канала.
Мощность рассеивания сильно зависит от температуры окружающей среды и может быть определена по диаграмме.
5. Изоляция охлаждающего радиатора.
Металлическая пластина на задней поверхности радиатора должна быть изолирована от электрических цепей. Протекание тока через нее может привести к неправильной работе и выходу из строя микросхемы. В рекомендациях производителя допускается подключать ее к сигнальной земле (SGND), но напрямую она не соединена ни с одним из земляных выводов.
6. Защита от перегрева.
Защита срабатывает при достижении температуры кристалла значения 170 °C. Гистерезис температуры защиты приблизительно 20 °C.
7. Монтаж компонентов.
- Конденсатор OSC должен быть установлен как можно ближе к микросхеме.
- Рекомендуется установить резисторы -датчики тока Rnf как можно ближе к микросхеме TB6560. Значительная паразитная индуктивность соединительных проводов к этим компонентам может привести к неправильной работе устройства.
- Пластина на задней поверхности микросхемы должна быть изолирована от радиатора или электрически подключена к выводу SGND.
Чертежи вариантов корпусов TB6560.
Чертеж корпуса HZIP25-P-1.27.
Чертеж корпуса HQFP64-P-1010-0.50.
На базе этой микросхемы производится стандартный модуль - драйвер шагового двигателя TB6560-V2. О нем я напишу в следующей статье.
Автор публикации
