Драйвер шагового двигателя TB6560. Описание на русском языке.

TB6560

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.

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.

Корпус HZIP25-P-1.27

Структурная схема.

Структурная схема

Назначение выводов TB6560.

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.

Схема входа микросхемы

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.

Схема выхода микросхемы

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
  1. Tокр. = 25 °C, без радиатора.
  2. Tокр. = 25 °C, с идеальным (бесконечных размеров) радиатором.
  3. Tокр. = 25 °C, выводы запаяны.
  4. 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
к

ф
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 %.

Диаграммы работы микросхемы.

Шаговый режим.

Диаграмма шагового режима

Полу шаговый режим.

Диаграмма полу шагового режима

Микро шаговый режим 1/8 шага.

Диаграмма микро шагового режима

Микро шаговый режим 1/16 шага.

Диаграмма микро шагового режима

Сигнал ENABLE в полу шаговом режиме.

Диаграмма сигнала ENABLE

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.

Диаграмма сигнала RESET

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.

Схема коммутации ключей TB6560

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.

Диаграмма режимов спада тока

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.

Диаграммы спада токаРекомендации 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.

Последовательность сигналов при включении 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.

Диаграмма мощности рассеивания

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.

Схема монтажа 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 HZIP25-P-1.27

Чертеж корпуса HQFP64-P-1010-0.50.

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.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *