TMC246微步驅(qū)動(dòng)芯片的原理與應(yīng)用

APTR1NAMICTMC3203GERMANY￥7面"N打TMC246微步驅(qū)動(dòng)芯片的原理與應(yīng)用(蘇州鈞信自動(dòng)控制有限公司高偉)摘要：TMC246是一款雙全橋驅(qū)動(dòng)器IC，適用于雙極步進(jìn)電機(jī)控制。用戶可選擇105^高溫運(yùn)行或每相1.5A的大電流工作類別的產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有電流消耗低、效率高的特點(diǎn)，并提供了內(nèi)部DAC,可實(shí)現(xiàn)微步進(jìn)調(diào)節(jié)和智能控制功能，強(qiáng)化電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的冷卻。該器件還能通過串行接口(SPI)或模/數(shù)輸入信號(hào)進(jìn)行控制，并集成了短路、過熱、欠壓和過壓保護(hù)功能。關(guān)鍵詞： 雙全橋； SPI； PWM； DAC；1.TMC246的主要性能TMC246是一款雙全橋驅(qū)動(dòng)芯片，適用于雙極性步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。內(nèi)部集成專利技術(shù)無傳感器的失速檢測(cè)功能可用在無需外部傳感器的位置控制中;該功能還可以預(yù)測(cè)電機(jī)的超載情況，適用于需要高可靠性的場(chǎng)合。芯片內(nèi)部集成MOSFETs，采用獨(dú)特的Low-RDS-ON技術(shù)達(dá)到低功耗，高效率性能，強(qiáng)化電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的自身冷卻無需外部的散熱設(shè)備，即使在外部環(huán)境溫度很高的情況下也可以實(shí)現(xiàn)1.5A的驅(qū)動(dòng)電流輸出°TMC246的低功耗，高效率，體積小的設(shè)計(jì)理念使其成為嵌入式運(yùn)動(dòng)控制甚至電池供電設(shè)備的完美選擇，內(nèi)部集成的DAC功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的微步控制，TMC246可通過SPI串行接口或模擬/數(shù)字信號(hào)輸入控制，另外該芯片還具有短路，過溫，欠壓，過載等保護(hù)功能。?集成無傳感器的失速探測(cè)功能(StallGuard)和負(fù)荷測(cè)量功能通過簡(jiǎn)單便捷的SPI串行總線控制或外部模擬/數(shù)字信號(hào)控制短路，過溫，過壓保護(hù)功能?內(nèi)部集成4bitDAC自身可實(shí)現(xiàn)16倍的微步細(xì)分功能通過SPI可擴(kuò)展到64倍細(xì)分?可以實(shí)現(xiàn)通過外部的模擬信號(hào)來實(shí)現(xiàn)任意的細(xì)分控制?具有實(shí)現(xiàn)電機(jī)平滑控制的混合衰減功能?通過單一電容或外部的時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)頻率的編程控制7V-34V電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓高達(dá)1.5A的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流，即使在外部溫度105°C時(shí)也可以輸出0.8A的電流3.3或5V的數(shù)字控制電壓低功耗，高效率的RDS-ON電源設(shè)計(jì)2.TMC246封裝方式TypePackageTemperaturerangeLeadfree(ROHS)Code/markingTMC246APOFP44automotive(1)YesTMC249A-PATMC24ePQFP44automotive(1)Fromdatecode30/04TMC248-PATMC246/23GAQFP440B1VSB0B20B1BRB0B2crnSQs0cn<■crnSQs0cn<■ ?otr) z 0- d er口 uj S g 如(1)IC沒有按照汽車標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，但是完全可以用應(yīng)在汽車行業(yè)依照其溫度范圍。3.TMC246的引腳功能引腳 功能VS 電機(jī)電壓輸入 VT和GND短接VCC 3.0-5.5V邏輯電壓 GND電源地AGND模擬地AGND模擬地OSC 時(shí)鐘輸入片選信號(hào)輸入SPI使能片選信號(hào)輸入SPI使能ANN 模擬控制使能SLP 斜波控制電阻INA A相模擬電流控制 INB A相模擬電流控制SCK 串行接口時(shí)鐘輸入 SDO 串行數(shù)據(jù)輸出SDI 串行數(shù)據(jù)輸入 CSNENN 使能(低電平有效)SPEBL1、2 延遲時(shí)間選擇 SRA、BA/B電流檢測(cè)電阻OA1、OA1、2全橋A相輸出VSA、BA/B橋電壓OB1、2 全橋B相輸出BRA、BA/B橋檢測(cè)電阻4.4.TMC246內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理TMC246通過串行總線SPI控制。通過SPI數(shù)據(jù)設(shè)置兩相線圈的電流和極性，通過接收到的數(shù)字描述正弦波和余弦波，TMC246可以輸出微步脈沖控制電機(jī)，每個(gè)微步都是根據(jù)SPI的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，如果配合使用TMC428（3軸控制芯片）可以自動(dòng)產(chǎn)生SPI指令和控制電機(jī)的波形，實(shí)現(xiàn)3軸電機(jī)的控制。下圖是發(fā)送至TMC246串行數(shù)據(jù)格式trarismilted BitNameFunctionRemark11MDAmixeddecayenablephaseA'r-rriiKOddecay1D＜：：A3currentbndgeA.3MSB9CA2currentbridgeA.28CA1uurrcntinidyeA.17（：：A0currentbndgeA.OLSB6PHAP'DlaritybridgeA"0"-currentflowfromQA：tciOA25MDBmixeddecayenablephaseB'r-rriixeddecay4CB3currentbridge0.3MSB3CU2CLirrentbndqeU.22CB1currentinidyeB.11CBOcurrentbndgeE1OLSBUPHBpolaritybridgeU"0"-curre-ntflowfnoniOH"tciOL?2

下圖是從TMC246發(fā)出的串行數(shù)據(jù)格式(MSRTrnnf.mittedlirsiiBitNameFunctionRemark-1LD2loudindicatorbit2MSB"0LD1laudindicatorbiI19LUUlandindicatorbitUISH01alwaysT7□Toverinmperature""=chipoffduetoovertemperature6OTPWtemporaluroprewamingT-prawaniingtomDcraturccxcoodod匚UVdriverundervoltage=undeivcllt^onVS4OCHSovenejrrenthighside3PWMcycles ctvercurrenfwithinG3PWMcycles3OLBopenloadbridgeBnoPWMswitch□廿for14oscilla:arcycles2OLAapftnloadbridgeAnoPWMsmirchofffor14oscillci'orcyrdes1CJCB□verejrrentbridgeBlowside3fWMcycleswithovcrcurrentwithr63PWMcycles0OCAovercjriuntbridiiyAlowbide3PWMcycleswithovercurrentwithin63PWMcycles下圖是線圈電流的設(shè)定CurrentsettingCA3..0/CB3.0PercentaeeofcurrentTypicaltripvoltageolthecurrent comparator(internalreferenceoranaloginputvoltageof2Visused}00000%0V(bridgecontinuojslyinslowdecoycondition)oom23mVUU1013.3%45mVirio93.3%317mVmi100%34UmV電機(jī)的電流值完全依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的4位DAC,當(dāng)重新上電之后或通過ENN取消使能后所有的寄存器的值為0,此時(shí)電機(jī)處于低電流的待命狀態(tài)，所有的$?1輸入都具有施密特觸發(fā)器功能在SPI模式下通過INA，INB控制基準(zhǔn)電流，在SPI模式下芯片可以通過外部的參考電壓實(shí)現(xiàn)每路的DAC，此功能適合不同的電機(jī)，可以通過將引腳ANN和GND短接實(shí)現(xiàn)這個(gè)模式。輸入2V的電壓對(duì)應(yīng)100%的線圈電流，不同的DAC電流設(shè)置取決與外部的電壓輸入。Standby和shutdown模式。可以通過外部認(rèn)為或內(nèi)部自動(dòng)將IC的電路設(shè)置為低消耗的Standby待命模式，在芯片進(jìn)入Standby模式之前，TMC246將關(guān)閉所有的功率驅(qū)動(dòng)輸出，在Standby模式下震蕩器失能，震蕩器的引腳處于低電平狀態(tài)。Standby模式的再次使能可以通過2種不同的方式實(shí)現(xiàn)當(dāng)是使用SPI模式控制時(shí)可以通過串行接口實(shí)現(xiàn)使能；當(dāng)在非SPI模式時(shí)可以通過ENN引腳來實(shí)現(xiàn)。Shutdown模式可以更進(jìn)一步地減少電流的輸出，只有通過上拉ENN使其處于高電平來通過SPI方式使能Shutdown模式，當(dāng)在Shutdown模式模式下內(nèi)部所有的參考電壓關(guān)閉SPI電路處于復(fù)位狀態(tài)?？梢酝ㄟ^控制輸出電流實(shí)現(xiàn)節(jié)約能量，減少熱量產(chǎn)生，減少電機(jī)上的熱應(yīng)力提高控制精度，在電機(jī)停止時(shí)可以將電機(jī)線圈的電流減少至我們需要的值。StallGuard功能：TMC246具有專利技術(shù)失速檢測(cè)功能，該功能可以通過串行接口以數(shù)字形式將電機(jī)當(dāng)前的負(fù)載讀出來，在電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中讀出的電機(jī)負(fù)載的值將會(huì)以3bit的數(shù)值反應(yīng)出來，電機(jī)上的負(fù)載越大所讀出負(fù)載的值將越小。無需外部傳感器實(shí)現(xiàn)位置控制。在不使用外部開關(guān)或光電傳感器的情況下電機(jī)可以尋找到某一個(gè)位置點(diǎn)。

保護(hù)功能過流保護(hù)和診斷功能。TMC246使用電流傳感電阻檢測(cè)是否過流，只要檢測(cè)的電壓超過0.61V,PWM立刻停止，橋上的晶體管全部關(guān)閉，錯(cuò)誤寄存器自動(dòng)加一；比較電路的高電平側(cè)檢測(cè)到與GND短路或者過流，無論何時(shí)VS和VT之間的電壓高于0.15V時(shí)，所有的晶體管將會(huì)處于關(guān)閉狀態(tài)。過流信號(hào)可以通過ENN消除或通過發(fā)送電流的設(shè)置“0000”過溫保護(hù)個(gè)診斷。在溫度過熱的情況下電路將關(guān)閉所有晶體管的輸出。過溫信號(hào)可以監(jiān)控，當(dāng)溫度低于極限溫度時(shí)電路重新恢復(fù)工作狀態(tài)，所以如果想延長(zhǎng)芯片的使用壽命，應(yīng)該避免在高溫環(huán)境中使用。系統(tǒng)的構(gòu)成采用RAM或簡(jiǎn)單，廉價(jià)的單片機(jī)做系統(tǒng)的微處理器，結(jié)合TMC428和驅(qū)動(dòng)芯片TMC246構(gòu)成3軸步進(jìn)電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)，TMC246內(nèi)部本身集成了HVCMOSFET構(gòu)成的雙橋驅(qū)動(dòng)電路，采用恒流斬波驅(qū)動(dòng)方式來驅(qū)動(dòng)雙極性兩相步進(jìn)電機(jī)，并具有功耗低，效率高的優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)如下圖所示RET 彳三E2 -E'3RET 彳三E2 -E'3nSCS3nSCS2nSCSJTMC428-PI24/SDI_CTMC428-DI20SDO_SSCKJ3>3SDD_CGLK V5VS-TESFGND3NDSCI_Stot.oupLCSD'jC把耍心A■.弗御泊觥由上圖可見，采用專用步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器和驅(qū)動(dòng)電路組成的系統(tǒng)