介绍二相步进电机驱动芯片THB60AH及其应用
摘要: THB60AH是北京海华博远科技与日本东芝半导体公司合作推出的高性能步进电机驱动芯片，本文主
要介绍它的原理及其应用。其稳定的性能、便宜的价格、简洁的外围线路，为实现高性能、低成本、小型化步进电机驱动方案提供了最佳选择。
引言：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。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点,在机电一体化产品中应用广泛,常用作定位控制和定速控制。然而，随着市场竞争起来越激烈，对产品的成本、高度集成化、功能模块化等方面要求也越来越高。选择专用驱动芯片的步进电机驱动方案越来越受重视。目前市面上常见的双极型微步电机驱动芯片最高细分在16细分以内，输出峰值电流都在3.5A以内，耐压在40VDC。像A3977、TA8435、TB6560A、THB6016等，只能匹配2.5A以内、57机座以下的电机，无法驱动更大功率的步进电机。为了打破这一局限，北京海华博远科技与日本东芝半导体公司合作推出高耐压、大电流、多细分高性能步进电机驱动芯片 THB60AH。
一： THB60AH 简介
THB60AH 是北京海华博远科技与日本东芝半导体公司合作推出的，是一款整合逻辑模块和功率模块于一身的高性能两相混合式步进电机驱动芯片。配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的步进电机驱动。因其驱动噪音低、震动小，性能可靠、性价比高的特点，适用于各行业的自动化设备。 其主要特点有:
● 双全桥MOSFET驱动，低导通电阻Ron＝0.4Ω（上桥+下桥） ● 耐压高达50VDC，VM工作电压范围大 ● 峰值电流4.5A，输出电流连续可调
● 多达8种细分可选（1/2、1/8、1/10、1/16、1/20、1/32、1/40、1/） ● 采用脉宽调制 斩波驱动方式 ● 自动限流、半流锁定功能 ● 提供四种衰减方式切换选择 ● 内置温度保护及过流保护 ●低电压检测(UVLO)电路
二：芯片内部方框示意图
图1
从上面图1方框图可以看出THB60AH的输入输出接口非常简单，直接在CLK端输入脉冲就可以控制电机转动，改变 CW/CCW 端的电平就可以切换电机转动的方向。切换M1/M2/M3端的电平就可以选择应用中需要的细分，调节DCY1/DCY2端的电平就可以选择合适的衰减方式。OSC2端通过选择合适的电阻来设定相应的斩波频率，还有DOWN 脚用来自动控制锁相时的输出电流，以减小电机锁相时发热严重;另外ALERT端在过流过温时可以输出保护信号指示方便用户了解驱动器的工作情况。芯片的输出电流可以通过调节Vref端电压来改变。具体各引脚功能看图2
三：管脚说明
图2
图3 衰减方式对应表
通过两个输入端口选择四种衰减模式
细分附表
通过三个输入端口切换8种细分模式 四：应用电路
图4 与MCU结合应用的简化电路（图4）
由图4的电路可以看出THB60AH的外围线路非常简单，只需要接入少量配件就可以构成一款高性能步进电机驱动。ALERT接入到MCU中还可以让MCU检测到THB60AH的工作状态，通过选择合适的R22的阻值可以设定步进电机锁相时的电流，避免出现锁相时电机电流过大，有效减小电机的发热。
根据客户自身的需要，还可以简化输入接口。例如，有些产品只需要一种细分模式的，可以通过测试来选择合适的衰减模式，对应固定DCY1/DCY2/M1/M2/M3的电平，进一步简化输入接口。方便在单块PCB上实现一个MCU控制多片THB60AH，为多电机产品系统控制提供了方便，简化系统的复杂程度。非常方便整合到自身产品中。
由于图4中的电路中MCU与THB60连接没有加入光耦隔离，不适合应用于干扰严重的系统中。在干扰严重的环境应用时，建议相应做好抗干扰处理并加入光耦隔离控制信号。
下面是 控制输入时序
成品驱动器的典型应用线路（图5）
图5
应用简述
图5 是应用在成品驱动器的电路。控制信号端加入光耦隔离，提高抗干扰能力。由于驱动芯片CLK频率最高支持200KHZ以上，为了保证脉冲信号耦合后的质量，选择用高速光耦。8种细分和4种衰减模式通过拔码开关选择。斩波频率由 27KΩ～160KΩ的电阻来设定，对应的斩波频率是15～65KHZ。衰减模式和斩波频率的设定，以步进电机运行平稳、噪音低、震动小为佳。ALERT指示信号通过发光二极管LED显示（芯片出现过流、过温、短路启动等，ALERT会输出低电平，并且强制关闭输出。正常工作时ALERT是高阻状态），方便用户实时了解驱动器的是否异常。当芯片检测CLK输入频率低于2 Hz时，DOWN脚输出低电平，R5连接在DOWN和Vref两端，就是通过这个功能来实现自动降低芯片输出电流，减小电机锁相时发热。输出端RV1～RV4的接入，一定程度上了步进电机工作中产生的尖峰电压，保护驱动芯片不被尖峰电压损坏（RV阻值设定：RV=VM/5MA）。输出电流通过公式 Io(100%) = Vref x 1/3 x 1/Rs 计算，Vref取值范围：0.5V—3.0V ，RS为检测电阻（图5中的R-NFA与R-NFB），建议用无感电阻，推荐阻值为0.22Ω/2W。设计PCB时要注意检测电阻与芯片的连线要短而粗，两者间的地线也要短而粗。避免因地线过小而出现地电平反弹，影响驱动效果。芯片周围的安全间距至少要0.3MM。在四个输出端、电源端和取样电阻尤其要注意，建议这几个端口布线间距在0.5MM以上。
结语
通过对THB60AH及其典型应用电路的分析，得益于THB60AH芯片的高度集成、接口傻瓜化、芯片智能化使应用极其简单，开发周期短。THB60AH高达4.5A的峰值输出电流和50VDC的耐压在测试中驱动部分85、86机号步进电机时也毫不逊色，突破了同类芯片最大只能驱动57机号以内步进电机的局限。其强悍的性能、低廉的价格，让实现高性能、低成本、小型化步进电机驱动方案成为可能。
