团 蠢 霪 皇 童旦 鱼 两相混合式步进电机驱动器的设计 宋波，韦薇，张孝其 （中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京１００１７６） 摘 要：步进电机作为执行元件，在半导体设备领域应用广泛。为降低成本，决定自行开发步进 电机驱动器。经研究比较，提出一种由专用芯片ＴＨＢ６０６４ＡＨ实现两相混合式步进电机驱动器的 设计方案。测试表明，此方案设计的驱动器运行稳定可靠，成本低，控制电机平稳无噪音。 关键词：步进电机；驱动器；ＴＨＢ６０６４ＡＨ 中图分类号：ＴＭ３８４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００４．４５０７（２０１４）０２—００５３．０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ Ｈｙｂｒｉｄ Ｓｔｅｐｐｅｒ Ｍｏｔｏｒｓ Ｄｒｉｖｅｒ ＳＯＮＧ Ｂｏ，ＷＥＩ Ｗｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｑｉ （Ｔｈｅ ４５ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ００ １ ７６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒｓ ａｒｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｓ ａｃｔｕａｔｏｒｓ．Ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｃｏｓｔｓ，ｄｅｃｉｄｅｄ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｔｈｅ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅｒ．Ａｆｔｅｒ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ，ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｈｙｂｒｉｄ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅｒ ｂｙ ｔｈｅ ＡＳＩＣ ＴＨＢ６０６４ＡＨ．Ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｄｅｓｉｎｅｄ ｂｙ ｔｇｈｅ ｓｃｈｅｍｅ，ｉｓ ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ｒｕｎ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒｓ ｓｍｏｏｔｈｌｙ ｗｉｔｈｏｕｔ ｎｏｉｓｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒｓ；Ｄｒｉｖｅｒ；ＴＨＢ６０６４ＡＨ 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线 位移的开环控制元件。步进电机不能直接接到直 流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源， 即步进电机驱动器。当驱动器接收到运动控制器 或ＰＬＣ的脉冲信号，即可精确控制步进电机的角 位移量。 电机，在半导体设备领域应用广泛，常用作定位控 制和定速控制。 步进电机按照相数可分为两相、三相、四相和 五相，在驱动器未采用细分驱动时，相数越多，步 距角越小，精度越高，启动和停止越平稳。同时，电 机的复杂程度和成本也相应增加。随着细分技术 的发展，两相步进电机具有了三相乃至五相步进 电机的控制效果，且低成本优势很明显。本文提出 ～步进电机按照结构可以分为反应式（ｖＲ）、永 磁式（ＰＭ）和混合式（ＨＢ）三种。混合式步进电机 集成了反应式和永磁式步进电机的优点，其惯量 种可由运动控制器或ＰＬＣ控制、高细分通用型 转矩高、功耗低，是目前发展较快的一种步进 收稿日期：２０１４—０２．１２ 两相混合式步进电机驱动器的设计方法。 电子专用设备研制 电子工业毫用设备 １方案分析 两相混合式步进电机的步距角为１．８。，若不 采用细分驱动，启动时抖动严重，运行平稳性不如 驱动器除了具有细分驱动功能，还必须具备 自动限流、半流锁定；输出电流连续可调；电流衰 减方式可调；具有温度保护即过流保护等功能。若 采用ＦＰＧＡ或微处理器的方案实现，内部程序难 度高，外围电路复杂，且稳定性不易保证。目前，专 四相或五相步进电机。将“电机固有步距角”细分 成若干小步的驱动方法，称为细分驱动，细分是通 过驱动器精确控制步进电机的相电流实现。其原 理是，让定子通电相电流并不一次升到位，而断电 业的步进电机驱动芯片发展较快，某些步进电机 厂商也采用专业芯片制作驱动器。最具代表性的 芯片属北京海华博远公司与日本东芝公司联合推 出的ＴＨＢ６０６４ＨＢ，其价格较低，外围电路简单，为 相电流并不一次降为０，绕组电流波形不再是近 似方波，而是Ⅳ级近似阶梯波，则定子绕组电流 所产生的磁场合力，会使转子有Ⅳ个新的平衡位 置，形成Ⅳ个步距角。 实现高性能、低成本、小型化步进电机驱动方案提 供最佳选择。芯片ＴＨＢ６０６４ＡＨ与其他步进电机 驱动芯片的参数比较如表１所示。 表１步进电机驱动芯片参数比较 ２驱动器的硬件设计 ＴＨＢ６０６４ＡＨ是一款整合逻辑模块和功率模块 ２．１电机驱动模块的设计 该芯片的最高耐压达５０ Ｖ，输出峰值电流 ４．５ Ａ，打破了同类芯片只能驱动５７系列电机的 局限。通过对芯片的外围电路设计，可以设置斩波 于一身的高性能两相混合式步进电机驱动芯片。 因此驱动器的设计也按照功率模块和逻辑模块划 频率、衰减模式、输出电流、细分等功能，驱动模块 的电路如图１所示。 分为电机驱动模块和运动控制器接口模块两部分。 图１驱动模块示意图 ：目 电字工业毫用设备 电子专用设备研制 输出的驱动电流由式（１）决定，其中 为输 出电流； ，为参考电压，一般取０．５～３ ｖ； 为 采用拨码开关ｓ中的２位用来设定芯片的衰减模 式，其他３位用来设定８档细分倍数，最高６４倍 细分，此时电机旋转一周需要１２ ８００步。 当检测到ＣＬＫ引脚输入信号的频率小于２ Ｈｚ 时，ＤＯＷＮ引脚变为低电平，此时芯片进入限电流 检测电阻，对应图１中为Ｒ．ＮＦＡ和Ｒ．ＮＦＢ，一般 采用大于或等于０．２５（２ ｗ）的无感电阻。 Ｉｏ＝Ｖ，ｖＸ １／３ Ｘ １／Ｒ （１） 图１中的电阻Ｒ、， 一ＲⅥ是为了降低电机工作 时的尖峰电压，保护芯片不被尖峰电压损坏，其阻 值大小由式（２）决定： Ｒ ＝Ｖ ５（ｍＡ） （２） 模式，从而减少了电机在锁相时的电流，减少电机 发热。改变图１中尺 的阻值，可以改变电流下降的 幅度。 ２．２运动控制器接口模块设计 电机运行时会产生感应电动势，电机的相 问电感越大，转速越高，产生的感应电动势也越 大。所以驱动电源 击穿。 通用的步进电机驱动器应具有与运动控制器 的接口能力，并有一定的抗干扰能力。需要与运动 控制器接口的信号有：使能ＥＮＡＢＬＥ、复位 ＲＥＳＥＴ、报警ＡＬＥＲＴ、脉冲ＣＬＫ和方向控制 ＣＷ／ＣＣＷ。 应限制在４２ Ｖ以下，以 防止感应电动势叠加到驱动电源而导致芯片被 芯片供给电机的驱动电流由斩波的方式实 现，斩波频率由ＯＣＳ２引脚接入的下拉电阻决定。 当电阻Ｒ 取２７～１６０ ｋ 时，对应的斩波频率为 ｌ５～６５ ｋＨｚ。斩波频率的高低决定了驱动输出驱动 电流的质量，频率越高，电源纹波越小，但容易引 为增强运动控制器接口的抗干扰能力，采用 光耦实现光电隔离措施。其中使能信号、复位信 号、报警信号和方向控制信号都属于非高速信号， 采用一般的低速光耦即可，如常用的ＰＣ８１７。而脉 冲信号ＣＬＫ引脚的最高输入频率为２００ ｋＨｚ，须 采用高速光耦作为隔离器件，经测试，采用 ＨＣＰＬ．２５３０，此光耦的最高响应频率达到１ ＭＨｚ， 入系统噪声，所以 一般取５１ ｋＱ。斩波频率和 衰减模式的设定以步进电机运行平稳、噪音低、振 动小为基准。 芯片提供了２０％、４０％、６０％￣Ｆ ８０％４个档位 的衰减模式，由引脚ＤＣＹ１和ＤＹＣ２设定。图１中 能够满足要求。步进驱动器的运动控制器接口电 路示意图如图２所示。 Ｖｒｒ 图２运动控制器接口电路示意图 电子专用设备研制 电子工业毫用设备 － 在图２中，运动控制器输出的脉冲信号 ＰＵＬＳＥ和方向信号ＤＩＲ都是差分信号，其中脉冲 信号示意图如图３所示，方向信号示意图如图４ 所示。采用高速光耦作为隔离器件后，增强了抗干 扰能力，并将差分信号转换为单端信号，使得运动 控制器的信号被驱动器良好的接收。 图３运动控制器脉冲信号示意图 ＤＩＲ 正传 反传 图４运动控制器方向信号示意图 ４设计举例 采用此方案，驱动一台多摩川的两相步进电 机，型号ＴＳ３６９９Ｎ２３２。电机的额定电流３ Ａ，额定 电压２４ Ｖ，保持转矩１．０５ Ｎ・ｉｒｌ，启动频率４０ ｋＨｚ， 矩频曲线如图５所示。 １ ０．５ ０ １０００ ２０００ ３０００ ４０００ 转速／ｒ・ｍｉｎ。 图５电机的矩频曲线示意图 驱动器采用３２细分，４０％衰减频率，检测电 阻采用０．３５ ｎ的２ ｗ无感电阻。设置参考电压 ２ Ｖ，则最大输出电流约１．９ Ａ。电机空载运行平 稳、无噪音，发热量适中，外壳温度约７０℃。 ５结束语 采用芯片ＴＨＢ６０６４ＡＨ设计两相混式步进电 机驱动器是一个非常好的解决方案。为了充分发 挥该芯片的优势，取得更好的控制效果，需要在以 下方面加强工作： （１）继续对步进电机进行测试，深入了解各个 参数对电机控制效果的影响，如衰减模式和斩波 频率对电机抖动的影响，限流模式对保持转矩和 发热量的影响等； （２）优化电路设计和ＰＣＢ板的布线设计，使 芯片的性能发挥至最佳，并最大限度地减少电磁 辐射和提高驱动器的抗干扰能力； （３）完善驱动器的设计，逐步取代外购产品， 以降低成本。 步进电机控制的新思路是采用基于ＤＳＰ的 伺服控制方法，配合光电码盘，实现“类伺服”的闭 环步进系统。当然开发难度较专业芯片方式高很 多，不适合推广使用。 参考文献： ［１］ 王自强，译．步进电机控制技术［（日）坂本正文．］［Ｍ］． 北京：科学出版社，２０１０ ［２］ 北京海华博远科技有限公司．ＴＨＢ６０６４ＡＨ两相混合 式步进电机驱动芯片手册［Ｍ］．北京：北京海华博远 科技有限公司，２０１１ ［３］ 姜德美，谢守勇，甘露萍．步进电机启动控制算法设 计［Ｊ］．西南大学学报（自然科学版），２００７，２９（５）： 】３４．】３８． 舢 作者简介： 宋波（１９８０年８月．），男，山东烟台人，工程师，２００７ 年毕业于哈尔滨工程大学，现任职于中国电子科技集团第 四十五研究所，从事控制理论、运动控制系统和激光加工 设备的研究。