TMC246微步驱动芯片的原理与应用

             高    伟

    摘  要：TMC246是一款双全桥驱动器IC，适用于双极步进电机控制。用户可选择105℃高温运行或每相1.5A的大电流工作类别的产品。该产品具有电流消耗低、效率高的特点，并提供了内部DAC，可实现微步进调节和智能控制功能，强化电机和驱动器的冷却。该器件还能通过串行接口(SPI)或模/数输入信号进行控制，并集成了短路、过热、欠压和过压保护功能。 

关键词： 双全桥；   SPI；   PWM；  DAC； 

1．TMC246的主要性能

TMC246是一款双全桥驱动芯片，适用于双极性步进电机的驱动。内部集成专利技术无传感器的失速检测功能可用在无需外部传感器的位置控制中；该功能还可以预测电机的超载情况，适用于需要高可靠性的场合。芯片内部集成MOSFETs，采用独特的Low-RDS-ON技术达到低功耗，高效率性能，强化电机和驱动器的自身冷却无需外部的散热设备，即使在外部环境温度很高的情况下也可以实现1.5A的驱动电流输出。TMC246的低功耗，高效率，体积小的设计理念使其成为嵌入式运动控制甚至电池供电设备的完美选择，内部集成的DAC功能可实现对电流的微步控制，TMC246可通过SPI串行接口或模拟/数字信号输入控制，另外该芯片还具有短路，过温，欠压，过载等保护功能。 

●     集成无传感器的失速探测功能（StallGuard）和负荷测量功能 

●     通过简单便捷的SPI串行总线控制或外部模拟/数字信号控制

●     短路，过温，过压保护功能

●     内部集成4bitDAC自身可实现16倍的微步细分功能通过SPI可扩展到64倍细分

●     可以实现通过外部的模拟信号来实现任意的细分控制

●     具有实现电机平滑控制的混合衰减功能

●     通过单一电容或外部的时钟实现频率的编程控制

●     7V-34V电机驱动电压

●     高达1.5A的电机驱动电流，即使在外部温度105℃时也可以输出0.8A的电流

●     3.3或5V的数字控制电压

●     低功耗，高效率的RDS-ON电源设计

2．TMC246封装方式

TMC246通过串行总线SPI控制。通过SPI数据设置两相线圈的电流和极性，通过接收到的数字描述正弦波和余弦波，TMC246可以输出微步脉冲控制电机，每个微步都是根据SPI的数据产生，如果配合使用TMC428（3轴控制芯片）可以自动产生SPI指令和控制电机的波形，实现3轴电机的控制。

电机的电流值完全依据标准的4位DAC，当重新上电之后或通过ENN取消使能后所有的寄存器的值为0，此时电机处于低电流的待命状态，所有的SPI输入都具有施密特触发器功能

在SPI模式下通过INA，INB控制基准电流，在SPI模式下芯片可以通过外部的参考电压实现每路的DAC，此功能适合不同的电机，可以通过将引脚ANN和GND短接实现这个模式。输入2V的电压对应100%的线圈电流，不同的DAC电流设置取决与外部的电压输入。

Standby 和shutdown模式。可以通过外部认为或内部自动将IC的电路设置为低消耗的Standby待命模式，在芯片进入Standby模式之前，TMC246将关闭所有的功率驱动输出，在Standby模式下震荡器失能，震荡器的引脚处于低电平状态。Standby模式的再次使能可以通过2种不同的方式实现当是使用SPI模式控制时可以通过串行接口实现使能；当在非SPI模式时可以通过ENN引脚来实现。Shutdown模式可以更进一步地减少电流的输出，只有通过上拉ENN使其处于高电平来通过SPI方式使能Shutdown模式，当在Shutdown模式模式下内部所有的参考电压关闭SPI电路处于复位状态。可以通过控制输出电流实现节约能量，减少热量产生，减少电机上的热应力提高控制精度，在电机停止时可以将电机线圈的电流减少至我们需要的值。

StallGuard 功能：TMC246具有专利技术失速检测功能，该功能可以通过串行接口以数字形式将电机当前的负载读出来，在电机运动过程中读出的电机负载的值将会以3bit的数值反应出来，电机上的负载越大所读出负载的值将越小。

无需外部传感器实现位置控制。在不使用外部开关或光电传感器的情况下电机可以寻找到某一个位置点。

5．保护功能

过流保护和诊断功能。TMC246使用电流传感电阻检测是否过流，只要检测的电压超过0.61V，PWM立刻停止，桥上的晶体管全部关闭，错误寄存器自动加一；比较电路的高电平侧检测到与GND短路或者过流，无论何时VS和VT之间的电压高于0.15V时，所有的晶体管将会处于关闭状态。过流信号可以通过ENN消除或通过发送电流的设置“0000”

过温保护个诊断。在温度过热的情况下电路将关闭所有晶体管的输出。过温信号可以监控，当温度低于极限温度时电路重新恢复工作状态，所以如果想延长芯片的使用寿命，应该避免在高温环境中使用。

6.系统的构成 

采用RAM或简单，廉价的单片机做系统的微处理器，结合TMC428和驱动芯片TMC246构成3轴步进电机的控制和驱动，TMC246内部本身集成了HVCMOSFET构成的双桥驱动电路，采用恒流斩波驱动方式来驱动双极性两相步进电机，并具有功耗低，效率高的优点。整个系统如下图所示  

 由上图可见，采用专用步进电机运动控制器和驱动电路组成的系统具有外围电路简单、系统抗干扰能力强和可靠性高等优点，可减少控制电路的开发成本。整个系统除了电源之外只有5个IC，因此，体积小，控制简单，特别适用于3轴步时电机的驱动。实验证明该驱动器控制的步时电机定位精度高，加、减速性能良好，同时，启停、反转性能也很优良。被广泛应用于安防设备，仪器仪表，办公自动化等众多领域。 

另外为了便于客户提高系统的控制精度TRINAMIC还开发出了可以构成三轴闭环控制的编码器处理芯片TMC423可以接收3轴增量式编码器输入。 

如需更详细资料可以和我联系 13812617052  nicegaowei@yahoo.com.cn