Драйвер шагового двигателя TB6560-V2. Описание, характеристики, рекомендации по эксплуатации.

 

Драйвер

Предыдущая статья была посвящена микросхеме TB6560.  В продолжение темы я рассказываю о модуле, собранном на базе этой микросхемы - драйвере шагового двигателя TB6560-V2.

Общее описание.

Модуль TB6560-V2 это драйвер биполярных шаговых двигателей с интерфейсом STEP/DIR.

[

 

Выполнен в виде одной платы размерами 75 x 50 x 35 мм.

Модуль TB6560-V2

Драйвер шагового двигателя

Модуль TB6560-V2

Его основу составляет специализированная микросхема TB6560 компании TOSHIBA. В моей предыдущей статье есть подробное описание этой микросхемы.

Коротко об основных возможностях модуля.

  • Предназначен для управления двух фазными биполярными шаговыми двигателями.
  • Имеет гальванически развязанный интерфейс STEP/DIR.
  • Обеспечивает стабилизацию фазных токов двигателя на заданном уровне. Максимальный ток фазы до 3 А, устанавливается дискретно переключателями на плате.
  • Имеет следующие режимы управления двигателем:
    • шаговый;
    • полушаговый;
    • микрошаговый 1/8 шага;
    • микрошаговый 1/16 шага.
  • В микрошаговом режиме обеспечивает форму фазных токов близкой к синусоидальной, что снижает шумы и вибрации. Обеспечивает 4 режима спада тока обмоток.
  • Имеет встроенную защиту от перегрева.
  • Есть режим снижения тока для удержания ротора при остановке двигателя.

Технические характеристики модуля.

Напряжение питания. 10 … 35 В Рекомендуется 24 В.
Ток фазы 0,3 … 3 А .Устанавливается переключателями на плате. Всего 14 ступеней регулировки.
Режимы шаговый;
полу шаговый;
микро шаговый 1/8 шага;
микро шаговый 1/16 шага.
Режим задается переключателями на плате.
Интерфейс Оптоизолированный STEP/DIR /ENABLE.
Максимальный ток сигналов CW (DIR) и EN (ENABLE) 50 мА
Максимальный ток сигнала CLK (STEP) 20 мА
Ток сигналов CW (DIR), EN (ENABLE), CLK (STEP) при 5 В на входе (ограничен резисторами модуля) 11 мА
Максимальная частота сигнала CLK (STEP) 15 кГц
Минимальная длительность импульса сигнала CLK (STEP) 7,7 мкс
Защита от перегрева 170 °C
Рабочая температура - 10 … + 45 °C
Габариты 75 x 50 x 35 мм
Вес 73 г

 

Интерфейс STEP/DIR.

STEP/DIR – это основной интерфейс управления драйверами шаговых двигателей. Состоит из трех сигналов:

  • STEP;
  • DIR;
  • ENABLE.

STEP – шаг. Это тактирующий сигнал. Один импульс говорит о том, что ротор двигателя надо повернуть на один шаг. Под шагом понимается не минимальная дискретность положения шагового двигателя, а шаг драйвера. В микро шаговом режиме это может быть только часть физического шага двигателя.

Как правило, драйверы реагируют на один из фронтов этого сигнала.

Частота следования сигнала STEP определяет скорость вращения двигателя. Существуют ограничения на максимальную частоту следования импульсов STEP и на минимальную длительность импульса. Имеется в виду ограничения драйвера. Скорость вращения реального двигателя имеет свои ограничения связанные с параметрами самого двигателя, током обмоток, механическими нагрузками и т.п.

DIR - сигнал определяющий направление вращения двигателя. Принято, что при высоком уровне сигнала двигатель вращается по часовой стрелке, при низком уровне – в противоположную сторону.

ENABLE - сигнал разрешения работы драйвера. Запрещающий уровень сигнала не меняет логику работы драйвера, а просто снимает напряжение с выхода. Используется для остановки двигателя без удерживающего тока. Разрешающим является низкий уровень (отсутствие напряжения на входе).

Как правило, у драйверов шаговых двигателей сигналы интерфейса STEP/DIR имеют гальваническую развязку на оптоэлектронных приборах. В силовых цепях с шаговыми двигателями присутствуют значительные токи коммутации, что приводит к высокому уровню помех и смещению уровней общих проводов (земли) всех модулей системы. Гальваническая развязка в таких условиях абсолютно необходима.

 

Внешние сигналы модуля.

Подключение модуля осуществляется через две клеммные колодки.

Контакты TB6560-V2

Номер контакта Сигнал

Назначение

1 CLK+ Контакты тактового сигнала STEP. Ток ограничен резистором 330 Ом.
2 CLK -
3 CW+ Контакты сигнала направления вращения DIR. Ток ограничен резистором 330 Ом.
4 CW-
5 EN+ Контакты сигнала разрешения работы ENABLE. Ток ограничен резистором 330 Ом.
6 EN-
Номер контакта Сигнал

Назначение

1 B- Фазная обмотка B
2 B+
3 A- Фазная обмотка A
4 A+
5 GND Общий провод
6 24 V Положительный сигнал питания

 

Схема драйвера TB6560-V2.

Схема драйвера состоит из:

  • микросхемы TB6560, включенной по стандартной схеме;
  • блока оптоизоляции входных управляющих сигналов:
  • переключателей выбора режима;
  • блока установки номинального тока (SW1-SW3);
  • стабилизатора напряжения;
  • блока определения остановки двигателя.

Принципиальная схема драйвера шагового двигателя TB6560-V2.

Принципиальная схема драйвера TB6560-V2

Про микросхему TB6560 и стандартную схему подключения можно почитать в предыдущей статье.

Оптоизоляция входных сигналов выполнена на оптопарах 4Т35, 6N137 и PC817. Для сигнала STEP используется быстродействующий оптрон 6N137. Частота сигнала STEP может достигать 15 кГц. Остальные сигналы  такого быстродействия не требуют.

Блок установки номинального тока подключает параллельно до трех резисторов, тем самым задавая разное сопротивление датчиков токов фаз (резисторы NF).

Единственная функция модуля TB6560-V2, которой нет в микросхеме TB6560 – это снижение тока при остановке двигателя. Очень удобная функция. Когда двигатель останавливается, нет необходимости держать на его обмотках полный рабочий ток. Выключать драйвер нельзя, так как ротор может повернуться от механического воздействия или притянуться к ближайшей фазе при микро шаговом режиме. Т.е. ток в фазах надо оставить, только снизить до уровня удерживающего тока.

Блок определения остановки двигателя реализован на одновибраторе 74HC123 (74HC23.pdf). Сигнал STEP перезапускает одновибратор по каждому отрицательному фронту. Когда импульсы сигнала STEP прекращаются, т.е. двигатель останавливается, одновибратор заканчивает отрабатывать последний выходной импульс и переходит в состояние высокого уровня (вывод 4). Время импульса одновибратора задано элементами R1, C1 и составляет 45 мс. Таким образом, если импульсы сигнала STEP следуют с периодом не реже приблизительно 50 мс, то вывод 4 одновибратора  74HC123 находится в низком состоянии, и рабочий ток определяется переключателем S1. Когда импульсы сигнала STEP прекращаются, вывод 4 переходит в высокий уровень и устанавливает на входах TQ1 и TQ2 микросхемы TB6560 режим пониженного тока.

В схеме драйвера удивляет отсутствие защитных диодов. Если покрутить двигатель в выключенном состоянии драйвера, то он будет работать как генератор и микросхема может выйти из строя. Для защиты выходных ключей драйвера обычно используется простая схема из диодных ограничителей. На каждый из четырех выходов микросхемы TB6560 необходимо подключить по два диода: к земле и напряжению питания (сигнал 24 V). С учетом того, что в драйвере используется ШИМ выходных сигналов, диоды должны быть высокочастотными.

 

Подключение управляющих сигналов.

С точки зрения схемотехники входные сигналы драйвера TB6560-V2 – это светодиоды оптронов с ограничивающими резисторами.

Входные сигналы

Для перевода сигнала в активное состояние необходимо обеспечить протекание тока через светодиод.

Самый простой способ это подать на вход напряжение 5 в. Резисторы-ограничители тока (330 Ом) рассчитаны именно на это напряжение. Ток при этом будет приблизительно 11 мА. Ток, который вполне обеспечивают выходы современных микроконтроллеров.

Схемы подключения драйвера к TB6560-V2 микроконтроллерам могут быть такие.

Подключение TB6560-V2 к микроконтроллеру

Это схема с высокими активными уровнями на выходах. Если необходимы активные низкие уровни – можно использовать следующую схему.

Подключение TB6560-V2 к микроконтроллеру

В обеих схемах каждый вход подключается двумя отдельными проводами, хотя видно, что три провода подключены к одной точке на плате микроконтроллера. Для первой схемы это земля, для второй + 5 В. Можно соединить три вывода на клеммной колодке модуля и связать с микроконтроллером одним проводом.

Это можно делать только в случае размещения драйвера в непосредственной близости от микроконтроллера.  Помехоустойчивость системы резко снизится. При подключении каждого входа двумя проводами, наводки на провода связи будут вычитаться друг из друга. Поэтому рекомендуется делать соединение драйвера с микроконтроллером отдельными витыми парами для каждого сигнала.

 

Подключение к модулю TB6560-V2 шагового двигателя.

Драйвер  TB6560-V2 управляет только двух фазными биполярными шаговыми двигателями, поэтому у двигателя должны быть две отдельные обмотки. Ниже приведены схемы для разных типов двигателей.

Двигатель с 4 выводами.

Двигатель 4 вывода

Очевидный вариант подключения классического биполярного двигателя.

Двигатель с 6 проводами.

Это двигатели, которые могут работать в униполярном и биполярном режимах. Униполярный режим драйвер не поддерживает. А в биполярном режиме такой двигатель можно подключить по двум схемам:

Используя все обмотки.

Двигатель 6 выводов

Используя половину обмоток.

Двигатель 6 выводов

В первом случае двигатель используется на полную мощность, но требует напряжения питания в два раза больше, чем для второй схемы. Во втором варианте двигатель работает на пониженной мощности.

Двигатель с 8 выводами.

Такой двигатель можно подключать по схемам последовательного и параллельного соединения обмоток.

Схема с последовательно включенными обмотками требует в два раза большего напряжения, но в два раза меньший ток.

Двигатель 8 выводов

Схема с параллельным соединением обмоток, напротив, требует в два раза больший ток, но в два раза меньшее напряжение.

Двигатель 8 выводов

Кроме того, в этой схеме общая индуктивность фазных обмоток в 4 раза меньше, чем в предыдущей, что важно на больших скоростях вращения двигателя.

 

Выбор режимов работы модуля.

Режимы работы TB6560-V2 задаются переключателями, расположенными на плате модуля.

Режим управления шаговым двигателем.

Задается переключателями S3 и S4.

Выбор режима управления

Состояние переключателей Режим
S3 S4
OFF OFF шаговый
ON OFF полу шаговый
ON ON микро шаговый
1/8 шага
OFF ON микро шаговый
1/16 шага

Установка рабочего тока (крутящего момента).

Задается переключателями SW1, SW2, SW3 и S1.

Установка крутящего момента

Рабочий ток фазы, А Состояние переключателей
SW1 Sw2 SW3 S1
0,3 OFF OFF ON ON
0,5 OFF OFF ON OFF
0,8 OFF ON OFF ON
1 OFF ON OFF OFF
1,1 OFF ON ON ON
1,2 ON OFF OFF ON
1,4 OFF ON ON OFF
1,5 ON OFF ON ON
1,6 ON OFF OFF OFF
1,9 ON ON OFF ON
2 ON OFF ON OFF
2,2 ON ON ON ON
2,6 ON ON OFF OFF
3 ON ON ON OFF

Установка тока удержания ротора остановленного двигателя.

При остановке двигателя модуль автоматически снижает ток обмоток до значения необходимого для фиксирования ротора в стабильном положении. Значение этого тока может быть выбрано переключателем S2.

Установка режима удержания

Состояние переключателя S2 Ток удержания ротора
ON 20 %
OFF 50 %

Установка скорости спада тока.

Режим подробно описан в статье о микросхеме TB6560. Коротко скажу, что режим определяет способ коммутации выходных ключей при выключении, а значит и скорость спада тока обмоток двигателя.

  • При задании медленного спада тока форма выходного сигнала в микро шаговом режиме становится близкой к синусоидальной. Это уменьшает шумы, вибрации, пульсации.
  • Но медленный спад тока может привести к нарушению пропорций фазных токов, что важно в микро шаговом  режиме.

Общие рекомендации выбора режима спада тока:

  • В микро шаговом режиме с высокой скоростью вращения (высокой частотой коммутации).
  • Зависит от параметров двигателя, определяется конкретно для каждого типа двигателя и для условий эксплуатации.

Режим спада тока задается перемычками S5, S6.

Driver_TB6560_V2_18

Состояние переключателей Режим спада тока (Decay)
S5 S6
OFF OFF 0 %
ON OFF 25 %
OFF ON 50 %
ON ON 100 %

 

Элементы индикации модуля.

Модуль TB6560-V2 содержит два светодиода:

  • Светодиод ”POWER” подключен к цепи 5 В и показывает наличие питания.
  • Светодиод ”RUN” подключен к выходу MO и светится в моменты начального состояния диаграммы. Т.е. при вращении двигателя он мигает с частотой цикла коммутации фаз.

Рекомендации по эксплуатации.

  • Драйверы TB6560-V2 стабилизируют выходной ток. Но они рассчитаны на стабилизацию тока через индуктивность, в которой ток мгновенно измениться не может.
  • Кроме того датчики стабилизатора тока подключены к земле, т.е. стабилизируется ток, протекающий через землю. Это приводит к тому, что любое замыкание вывода на землю или межфазное замыкание (попутка фазных обмоток) выводит микросхему из строя.
  • Включать драйвер с неподключенным двигателем можно. Неприятностей не будет.
  • Как я писал выше в комментариях к принципиальной схеме TB6560-V2, драйвер не содержит защитных диодов выходных ключей. Поэтому крутить двигатель при отключенном питании драйвера запрещено. Может привести к пробою выходных ключей.
  • При выгорании верхних ключей на замыкание на обмотки двигателя может поступить напряжение питания. Ток ничем не будет ограничен и шаговый двигатель сгорит. Для исключения такой ситуации я бы рекомендовал использовать плавкий предохранитель в цепи питания драйвера. Обмотка двигателя мгновенно не сгорит. Предохранитель успеет сработать.

 

Наверное, TB6560-V2 не самый надежный и функциональный драйвер шагового двигателя. Но на момент написания статьи он стоил 500-700 руб. И это не за микросхему, а за полноценный модуль с оптоизолированными входами, радиатором, приличным током до 3 А. Да и выходы его из строя, как правило, связаны с ошибками монтажа или нарушениями требований эксплуатации.

9 комментариев на «Драйвер шагового двигателя TB6560-V2. Описание, характеристики, рекомендации по эксплуатации.»

  1. Эдуард, добрый день. Подскажите пожалуйста есть ли рекомендации по использованию данного драйвера при питании от 12 В?

    • Здравствуйте! Никаких особенностей при снижении напряжения нет. В уроке Ардуино об этом драйвере я питал его от 12 В. Упадет только скорость нарастания тока в фазах.

  2. Здравствуйте! Очень полезная статья. Мне очень понравилось , теперь я точно знаю, что такое шаговый двигатель и драйвер для управления им . Вопрос Вам если Вы позволите, есть ли у вас статья или возможно урок по микроконтроллеру Ардуино о работе оптического энкодера в паре с Ардуино для управления , через описанный драйвер шаговым двигателем. Задача :вращается энкриментный энкодер вращается шаговый двигатель, остановился вал с энкодером остановился шаговый двигатель. Спасибо Вам за статью. Если ответете в личку буду очень признателен .(listfff@mail.ru)

    • Здравствуйте! Есть следящий электропривод на шаговом двигателе урок 32. Может его переделаете под энкодер.

  3. Здравствуйте! Подскажите, пожалуйста, есть биполярный шаговый двигатель 3,25 V, 1,3 А, 2,5 Ом. Подойдет ли драйвер для управления им? Ведь я правильно понял, что входное напряжение на плате должно быть не менее 10 В??

    • Здравствуйте! Да, все правильно. Драйвер подойдет. Только не забудьте на драйвере выставить ток.

      • Ограничивающий ток я, конечно, выставлю. Не совсем понял какое напряжение на вход платы подавать?

        • Для вашего двигателя достаточно 10-12 В. Не зависимо от напряжения питания платы драйвер ограничит ток фазы.

Добавить комментарий

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