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接口/总线/驱动中的基于TMC246A步进电机驱动器设计方案.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.66M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    驱动中的基于TMC246A步进电机驱动器设计方案 步进电机驱动器设计方案 接口接口/总线总线/驱动中的基于 导读：TMC246A是带传感延迟检测、保护/诊断和SPI接口的高电流微步步进电机驱动器。 　　TMC246A是为2 相步进电机控制应用的双全桥驱动器，能预知过载的能力使TMC246A成为最适宜的渴望需要高稳定的驱动器的 选择，即使在高温环境下也允许有1.5A的电流输出（在105度高温下输出大于800毫安）。 　　驱动器可以用串 行SPI（12bit协议）或模拟、数字信号来控制，内部综合了短路保护、超温保护、低压和高压保护。为平稳电机 运转采用混合延迟特性，通过一个电容器或外部时钟编程PWM振荡器频率。电机电压供电范围是7到34V,数字 部分供电电压是3.3V或5V. 　　内部结构框图及引脚功能 导读：导读：TMC246A是带传感延迟检测、保护 是带传感延迟检测、保护/诊断和诊断和SPI接口的高电流微步步进电机驱动器。 接口的高电流微步步进电机驱动器。 　　TMC246A是为2相步进电机控制应用的双全桥驱动器，能预知过载的能力使TMC246A成为最适宜的渴望需要高稳定的驱 动器的选择，即使在高温环境下也允许有1.5A的电流输出（在105度高温下输出大于800毫安）。 　　驱动器可以用串行SPI（12bit协议）或模拟、数字信号来控制，内部综合了短路保护、超温保护、低压和高压保护。为平 稳电机运转采用混合延迟特性，通过一个电容器或外部时钟编程PWM振荡器频率。电机电压供电范围是7到34V,数字部分供 电电压是3.3V或5V. 　　内部结构框图及引脚功能 　　内部结构框图及引脚功能 　　TMC246A采用PQFP44封装，其引脚排列如上图所示，其应用电路及内部结构框图如下图所示，由DAC数模转换电路、 PWM控制、电流控制的门激励、传感器电流比较仪及桥式电机驱动电路、各种保护电路和控制诊断电路、SPI接口等组成。 　　引脚功能引脚功能 　　引脚功能引脚功能
    　　VS电机电压供电端VT对地短路检测比较仪，若不用，接VS端 　　VCC模拟、数字电路3-5.5V供电端GND数字、功率电路地 　　AGND模拟地（为SRA,SRB,OSC,SLP,INA,INB,SLP提供参考）OSC断路器的振荡器电容或外接时钟输入 　　INAA相模拟电流控制INBB相模拟电流控制 　　SCK串行SPI的时钟SDO串行SPI的数据输出（三态） 　　SDI串行SPI的数据输入CSN串行SPI的片选 　　ENN驱动器使能端（低电平有效）和过压关闭端SPESPI模式使能端，接地不使用SPI功能 　　ANN模拟电流使能端，低电平有效，通过INA、INB来控制SLP斜率控制电阻 　　BL1、BL2数字式空白时间选择SRA.SRB桥A/B传感器电流比较仪电流输入端 　　OA1、OA2全桥A输出端081、OB2全桥B输出端 　　VSA、VSB桥A/B电源供电端BRA.BRB桥A/B外接传感电阻端 　　上表是TMC246A的引脚功能，由于个别脚与多个引脚是一个功能，因此，给出引脚符号所对应的功能，具体哪个脚是哪 个符号参照上图。 　　SPI接口控制 接口控制 　　SPI数据设置了2极电机的电流和极性，通过使用连续的值，描述了一个正弦和余弦波，电机被微步驱动。 　　微处理器发送数据到TMC246A微处理器发送12bit数据到TMC246A,先发送高位，如下表所示。
    　　BITName功能备注 功能备注 　　11MDAA相混合延迟使能为1,混合延迟 　　10CA3A桥电流设置第3位高位 　　9CA2A桥电流设置第2位 　　8CA1A桥电流设置第1位 　　7CAOA桥电流设置第0位低位 　　6PHAA桥极性为1,电流从OA1到OA2 　　5MDBB相混合延迟使能为1,混合延迟 　　4CB3B桥电流设置第3位高位 　　3CB2B桥电流设置第2位 　　2CB1B桥电流设景第1位 　　1CBOB桥电流设置第0位低位 　　0PHBB桥极性为1,电流从OB1到OB2 　　电流值用标准4bit通信，CA3至CAO或CB3至CBO从0000到1111,电流值按照每6.7%的增幅变化，最小为0,最大 为，100%.所有记录内容在电源开机复位时清零或通过ENN脚使芯片进入到低功耗待机状态消失，所有SPI输入都有施密特触 发器功能。 　　TMC246A发送数据到微处理器TMC246A发送12bit数据到微处理器，先发送高位，如下表所示。微处理器根据TMC246A 发送回来的12bit数据，做信号处理。
    　　在SPI模式下通过INA和INB来控制基础电流在SPI模式下，芯片为每个DAC提供一个外部参考电压，将ANN接地，使能模 拟电流控制，INA和INB的2V输入电压给出100%电流的满刻度，在此情形下，传感器电流比较仪的负向电压由INA和INB输入 电压和DAC电流设置（在表2中设置）决定，有以下的公式： 　　VTRIP,A=0.17 VINAדpercent-age SPI current setting A” VTRIP,B=0.17 VINBדpercent-age SPI current setting B” 传感器的电阻RS= VTRIP/lmax,在典型应用中RS=0.34V /lmax,（本设计中已将INA、INB脚接在一起，且用电阻分压使 VINA、VINB约2V），我们选择传感器电阻为0 3欧，因此，电机最大电流I-max为0.34V/RS=0.34V/0.3=1.13A. 　　硬件电路设计 　　硬件电路设计 　　下图所示是TMC246A电机驱动器的应用电路图，其设计思路如下。 　　VS是电源供电端（TMC246A的36脚），PCB布线和连接外电源时，接线要尽可能的短和粗，而且在靠近每个电源引脚边 接一个100-470微法的电解电容（或钽电容）与一个0.01-0.1微法的高频电容，能起到很好的滤波作用。VSA、 VSB（TMC246A的30、4脚）是桥A/B电源供电端，VS通过0Ω保护电阻加到VSA、VSB上。OA1,OA2,081,082是电机输出端 口，OA1,OA2,（TMC246A的2、3、7、8和5、6、10、1 1脚）接两相电机的一个绕组上，OB1,082（TMC246A的26、27、 31、32和23、24、28、29脚）接两相电机的另一个绕组上，若电机运动方向不是我们想要的方向的时候，只需对调 OA1,OA2,或OB1,082中的任两根线就可以改变电机的转向。 　　在电机输出引脚和地间分别接4个肖特基二极管以减小热消耗，给电机绕组上的反电动势在断电时提供回路。 BRA,BRB（TMC246A的9、25脚）是输出电流传感器电阻连接端口，外接一个0.1 ~0.3Ω的电阻用于电流检测。该电阻应能满 足功率需求，我们设计使用了0.3Ω/2W的电阻。BRA,BRB经100Q电阻，再经SRA、SRB（TMC246A的12、22脚）接传感器 电流比较仪。 　　检测BRA,BRB上的电压来判断电机是否过流，一旦检测到BRA,BRB上的电压超过0.61V,PWM周期立即停止，在PWM周 期剩下的时间里，桥内的所有晶体管都关闭。错误计数加1,若错误计数达到3,则桥保持关闭余下的60个PWM周期，即这一次 正弦波，并将错误标志读出有效。在下一轮正弦波，超过63个PWM周期若没有过流，就取消错误标志。 　　VT（TMC246A的35脚）是对地短路检测比较仪端，检测对地短路或过流。在任何时候只要VS和VT间电压超过0.15V,在 PWM周期剩下的时间里，桥内的所有晶体管都关闭。 　　PWM周期的空白时间由BL1、BL2（TMC246A的21、33脚）决定，空白时间即PWM的死区时间，为的是防止全桥上、 下管直通短路。空白时间得兼顾低端晶体管的关闭时间和高端晶体管的打开时间，还有电流建立的时间。因此完整的转换持续 时间不能超过1.5 μ s.BL2、BL1为GND、GND,空白时间为0.6 μ s;BL2、BL1为GND,VCC,空白时间为0.9 μ s:BL2、BL1为
    VCC、GND,空白时间为1.2μs;BL2、BL1为VCC、VCC,空白时间为1.5 μ s;本设计中BL2、BL1为VCC、GND,因此选择PWM 周期的空白时间为1.2 μ s.尽可能低的空白时间为微步给出了最好的结果。 　　OSC（TMC246A的13脚）是PWM振荡器频率设定端，由外部电容器来设定。内部振荡器采用28kQ电阻对外部电容器充 电/放电。也可以在此脚输入外部的CMOS电平的方波信号，不要把频率设定超过100 kHz,也不能悬空此脚。PWM振荡器频率 Fosc一1/（40 u sxCosc（n F》，本设计OSC端外接电容器是1 nF,因此，PWM振荡器频率为25 kHz. 　　电机在锁定状态，为减少电流，微处理器发出低电平LOCK信号，使Q1导通，INA和INB端原来的2.2k电阻和1k电阻并 联，电阻变为0.69K,此时VIN/VINB电压约为0.9V,则电机电流|为（0.17*0.9V）/0.3=0.51A,大大降低了功耗。 　　SLPtTMC246A的43脚）是斜率控制电阻端，全桥输出的输出电压斜率可控制，以减少对电力供应和汽车线路的噪声，且 减少电路的电磁辐射。它是由在SLP引脚外接一个外部电阻来控制，这个电阻的范围是0到lOOk.该SLP引脚可直接连接到 AGND以获得最快输出电压斜率，输出电压由15%到85%的时间和斜率控制电阻的关系如下30ns,2.2kQ;60ns,10kΩ；1 10ns,22kΩ；245ns,51kΩ；460ns,lOOkQ.本设计斜率控制电阻为22k,因此输出电压由15%到85%的时间为110ns. 　　ENN（TMC246A的19脚）是驱动器使能端，也是过压保护端。在禁用条件期间，电路关闭所有的输出功率晶体管，并进 入低电流停机模式。所有登记内容将被清除为“0”,所有状态标志清除。利用外接分压电阻给ENN引脚提供一个固定的1/2VCC 电压，则允许简单的使过压保护提高到40V.若VCC使用5V,过压保护阈值是26-29V,则可以按下图所示那样，将R15设为 100k,R14设为10k.若VCC使用3.3V,过压保护阈值是26-29V,则下图中，将R15改为160k,R14仍为lOk.若想用微处理器来控制 ENN,可以将R14左端接地去掉，改接微处理器，微处理器发出低电平信号，使能有效，若发出高电平信号，则使能无效。本 设计始终使能。 　　SPE（TMC246A的20脚）是SPI模式使能端，接VCC,使能SPI功能。 　　软件设计 　　软件设计 　　在上图所示TMC246A电机驱动器的应用电路图中，SDO （TMC246A的14脚）是串行SPI的数据输出 端，SDI（TMC246A的1 5脚）是串行SPI的数据输入端，SCK （TMC246A的16脚）是串行SPI的时钟端，CSN （TMC246A 的18脚）是串行SPI的片选端，低电平有效。这四个引脚和微处理器的10口相连，由微处理器来控制。下图所示是SPI接口时 序。 　　我们使用飞利浦公司的ARM7微处理器LPC2119来控制TMC246A. 　　定义数组先定义如下2个数组，上面的数组完成电机的正传，下面的数组完成电机的反传，这两个数组都是为了实现正弦 波。
    　　SPI总线发送数据下面的函数是向SPI总线发送数据，函数名称：MSPLSendData0,函数功能：向SPI总线发送数据。入口 参数：data待发送的数据，出口参数：返回值为读取的数据。 　　电机运转控制 下面的函数是电机运转控制函数，函数名称：step（），函数功能：电机运转控制。入口参数：dir方向， 出口参数：无。串行SPI的时钟由微处理器的定时器1来实现。
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