基于THB6064H的步进电机闭环控制电路设计

　　引言

　　步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的一种装置。它产生的位移与输入脉冲数严格成正比，平均转速与输入脉冲的频率成正比，具有结构简单、可靠性高和成本低的特点。由于步进电机没有积累误差，容易实现较高精度的位移和速度控制，被广泛用于精确控制领域。由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统简单并且价格低廉，但有时存在振荡和失步现象，故在复杂电磁环境下或是对精度要求较高的场合下，必须加入反馈电路组成高性能的闭环数控系统。本文采用旋转编码器作为反馈器件对步进电机实行闭环控制。

　　1 THB6064H简介

　　THB6064H是在东芝公司2009年主推的TB6560AHQ的基础上开发的一款PWM斩波型两相步进电机驱动芯片。该芯片配合简单的外围电路即可设计出高性能、多细分、大电流的驱动电路，在低成本、低振动、低噪声、高速度的设计中应用效果较佳。其主要参数和性能指标有：双全桥MOSFET驱动，低导通电阻Ron=0.4Ω(上桥+下桥)，高耐压50 V DC，大电流4.5 A(峰值);多种细分可选(1/2、1/8、1/10、1/16、1/20、1/32、1/40、1/64)，自动半流锁定功能，衰减方式连续可调;内置高温保护及过流保护，当温度高于170℃时自动断开所有输出;封装形式为HZIP25-P-1.27封装。

　　2 控制原理

　　本文的步进电机闭环控制方法采用核步法。核步法的控制思想是从简化控制系统出发，利用核步计数器对系统位置进行跟踪监视，即时发出反馈控制信号，从而完成对位置的控制。其基本原理如图1所示。单片机接收来自上位机的时序脉冲信号和方向信号，经驱动放大后送往步进电机来控制步进电机工作;步进电机带动编码器同轴旋转，由编码器检测转角度，并以脉冲的形式反馈到单片机进行核步计数;单片机根据脉冲反馈当量值与给定值进行比较，按照核步算法发出控制指令。如果发生丢步，单片机就会根据差值继续发送脉冲，把丢掉的步数补上，从而完成步进电机转动位置的闭环控制。

　　3 硬件设计

　　3.1 驱动部分电路

　　驱动电路以步进电机驱动芯片THB6064H为核心，配合简单的外围电路实现步进电机的驱动。驱动电路如图2所示。

　　驱动电源的电压最高不能超过50 V，要大于芯片逻辑电压。提高驱动电压可使电机在高频范围转矩增大，电压大小要根据使用情况来选择。VMA、VMB端口是步进电机的驱动电源引脚，设计时应接入瓷片去耦电容和电解电容用来稳压。OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B端口分别为步进电机的2相输出接口，由于此芯片内集成了续流二极管，不用像以前的一些驱动芯片那样在输出口外接二极管，因此就可以使电路板的布线空间缩小，从而减小控制器的体积。NFA、NFB端口分别为步进电机A、B两相的相电流检测端，应连接大功率检测电阻，典型值为0.25 Ω/2 W。VREF为电流设定端，调整此端电压就可以设定驱动电流的大小。PGNDA、PGNDB、SGND分别为步进电机驱动的引脚地和逻辑电源地。芯片的逻辑电源为5 V，VDD端口为逻辑电源引脚，设计时也要接入电容来减小干扰噪声;ALERT为过流保护输出端;RESET为芯片复位脚，低电平有效;OSC1A、OSC1B端口所接电容的大小决定了斩波器频率，推荐接入100～1 000 pF的电容，此时的斩波频率为400～44 kHz;M1、M2、M3端口分别为步进电机驱动的细分设置引脚，用外接拨码开关可设定不同的细分值，例如整步、1/2步、1/4步、1/8步等，最高可达64细分。由于步进电机在低频工作时，可能会伴有较大的振动和较大的噪声，这些就需要通过细分驱动来解决。驱动输出的电流调节和衰减方式调节都可通过外接拨码开关来实现，电路简单，方便可靠。