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TMC246微步驅(qū)動(dòng)芯片的原理與應(yīng)用
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℃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)
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
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SPI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�？梢酝ㄟ^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)。可以通過控制輸出電流實(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)。
5．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。
6.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
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